Не просто большая батарейка
Автомобильная аккумуляторная батарея выполняет важнейшие функции. Основная – пуск двигателя, который без живительной искры остается мертвым набором деталей. Когда мотор не работает, АКБ питает разнообразные электрические устройства – например, сигнализацию. И, наконец, во время движения она «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой.
Свинцовые стартерные аккумуляторы стали наиболее массовым и недорогим химическим источником тока благодаря относительной дешевизне используемых материалов и высокой степени автоматизации производства. Однако совершенствование конструкции АКБ и ее оптимизация под нужды автопрома продолжается по сей день.
«Кашу маслом не испортишь». При выборе АКБ в авто не следует руководствоваться этой народной мудростью. Дело в том, что стартер и генератор автомобиля рассчитывается на определенную емкость. Емкость аккумулятора – это количество электричества, получаемое от аккумулятора при его разряде. И если установить батарею, превышающую по этому показателю рекомендованный параметр, можно вывести из строя как саму АКБ, так и электрооборудование транспортного средства. Так что если в технической документации автомобиля рекомендован аккумулятор номинальной емкостью 44 А·ч, не стоит устанавливать 60 А·ч хотя бы потому, что генератор не сможет «кормить» эти дополнительные А·ч, и батарея вскоре сядет.
Две пластинки и палочка – вышла батареечка?
Для начала – короткий экскурс в историю. В 1802 году немецкий физик Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) обнаружил, что две медные пластины, опущенные в кислоту и соединенные с гальваническим элементом, заряжаются, и в течение короткого времени их можно использовать как постоянный источник тока. Но до появления первого аккумулятора прошло более пятидесяти лет.
Только в 1859 году французский инженер Гастон Планте (Gaston Plante) разработал первый в истории свинцовый аккумулятор. Это устройство состояло из двух одинаковых свинцовых пластин, прикрепленных к деревянному цилиндру и отделенных друг от друга тканевой прокладкой. Эту конструкцию опускали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов, отключив батарею, можно было снимать с аккумулятора достаточно сильный ток, который сохранял свое постоянное значение в течение некоторого времени. Так было положено начало аккумуляторной техники.
Однако АКБ Планте обладала очень небольшой емкостью – она слишком быстро разряжалась. Изначально никто не видел практического смысла в аккумуляторе, ведь зарядка была целой проблемой. Но с появлением генератора, позволявшего легко перезарядить АКБ, интерес значительно возрос, и аккумуляторные батареи начали применять в различных сферах человеческой деятельности.
Отдал – принял – отдал
Ток, поступающий в стартер автомобиля, вырабатывается в аккумуляторе в результате химической реакции. Если упрощенно – схема выглядит следующим образом. Есть две пластины (электроды). Один электрод покрыт мелкопористым свинцом, а второй – двуокисью свинца. Пространство между ними заполняет специальный раствор серной кислоты – электролит (отличный проводник электричества). Когда к клеммам аккумулятора подсоединяют провода, свинцовая пластина вступает в реакцию с электролитом и начинает выделять электроны (собственно, электрический ток), а двуокись свинца – принимать их. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не истощается электролит, а пластины не покрываются сульфатом свинца. Тогда реакция прекращается – АКБ разрядилась.
Самое интересное, что зарядка аккумулятора являет собой обратный процесс: при заряде происходит превращение электрической энергии в химическую, а при разряде – наоборот: химической в электрическую. Тут надо отметить следующее: при вышеупомянутом электрическом таинстве выделяются определенные продукты реакции, которые засоряют электролит и даже могут вызвать замыкание пластин и конструктивную гибель батареи. Для того чтобы отделить электроды друг от друга, между ними устанавливают сепаратор – перегородку, пропускающую электроны, но не химические вещества. Любой свинцово-кислотный аккумулятор обязательно состоит из этих элементов. Стандартная современная 12-вольтовая автомобильная батарея выполнена из шести последовательно соединенных между собой блоков разнозаряженных пластин, каждый из которых и представляет собой простейший аккумулятор с выходным напряжением в 2 В. До 50-х годов ХХ века общепринятым стандартом в автомобилестроении были шестивольтовые АКБ.
Нелегкий труд
На первый взгляд, конструкция АКБ почти примитивна. Но давайте представим себе условия эксплуатации аккумулятора. Даже в легковом транспорте источник питания вместе со всем оборудованием трясет на городских ухабах, не говоря уже про автомобили, работающие в условиях полного бездорожья. Температура окружающей среды колеблется: при работающем двигателе сильно повышается, а зимней ночью подкапотное пространство может хорошо промерзнуть. И это, казалось бы, простое устройство достаточно легко может выйти из строя, обездвижив авто, по крайней мере, до установки новой АКБ. Чтобы разобраться, отчего так происходит, и как конструкторы с этим «воюют», рассмотрим основные составляющие батареи более пристально.
Панцирь
Посмотрим на любую АКБ. Что мы видим первое? Конечно корпус, или моноблок. Постоянные вибрации и перепады температур могут разрушить его. Впрочем, даже небольшой трещины хватит для того, чтобы электролит вылился наружу, упокоив аккумулятор на веки вечные.
Во время эксплуатации обычной свинцовой батареи снижается уровень электролита, что требует периодического (1-2 раза в месяц) добавления дистиллированной воды. Потребность в периодическом добавлении воды и подзарядке батарей при длительном хранении увеличивает объемы их обслуживания, требует дополнительных затрат на материалы. Нередко производители указывают среди достоинств своей марки «необслуживаемость». К необслуживаемым батареям относят такие, в конструкции которых применен комплекс решений, направленных на достижение крайне низкого темпа расхода воды. Эти АКБ не требуют добавления электролита в процессе эксплуатации, обладают большим сроком службы по сравнению с обычными батареями. Могут быть полностью герметичными. Однако необслуживаемые АКБ более чувствительны к некорректной работе электрооборудования автомобиля. Поэтому желательно проверять натяжение ремня привода генератора, исправность самого генератора и регулятора напряжения, а также наличие утечек тока.
С момента появления стартерных батарей инженеры ломали себе головы над проблемой прочностных характеристик корпусов. Изначально их изготавливали из дерева. Затем на смену древесине пришел эбонит, однако и он был недостаточно хорош, и в производство внедрили синтетические полимерные материалы – такие, как полипропилен. При переходе с эбонита на сополимер полипропилена с этиленом удалось уменьшить толщину стенок в два раза и понизить массу корпусных деталей без ухудшения показателей их надежности. Первый синтетический корпус изготовила австрийская фирма Baren в 1941 году, а полипропилен впервые начала использовать в середине 1960-х годов американская фирма Johnson Controls.
Кислород и водород, выделяемые электродами при зарядке, могут привести к детонации АКБ.
Под колпаком
При заряде аккумулятора пластины имеют неприятную привычку выделять газы: кислород и водород. Помимо того, что они повышают давление внутри АКБ, в определенной пропорции эти вещества создают гремучую смесь, то есть батарея попросту превращается в динамитную шашку. Именно поэтому в крышке моноблока появились специальные газоотводные каналы. В современных батареях они имеют форму лабиринта, позволяющего задержать внутри корпуса капли электролита, уносимые газом, и вернуть их обратно.
Конверты, но не для почты
Немалое значение для обеспечения работы автомобильной АКБ в непростых условиях эксплуатации имеет качество сепаратора. В последнее время многие производители стали использовать так называемые конверт-сепараторы. Как следует из названия, электрод помещают в своеобразный «конверт» из полимерного материала со специальными свойствами: прочностью, стойкостью к окислению, эластичностью и т.д. Конверт-сепаратор не только повышает стойкость электродов к вибрациям и ударам, но и предотвращает одну из основных причин выхода из строя батарей – замыкание пластин внутри аккумулятора. Теперь они могут располагаться значительно ближе друг к другу, уменьшая таким образом габариты АКБ.
За решеткой
Электроды – это не просто однородные пластинки материала. Они представляют собой решетки, ячейки которых заполнены активными веществами: диоксидом свинца в положительном электроде, и губчатым свинцом – в отрицательном. Решетки электродов подводят ток к активному веществу и удерживают его.Раньше для увеличения прочности пластины выполняли из сплава свинца и сурьмы. Но, к сожалению, химические свойства сурьмы таковы, что она способствует испарению воды из раствора электролита. Кроме того, такие пластины сильнее подвержены коррозии. В современных моделях используют сплав свинца и кальция, а также свинца, сурьмы и селена. Кальций дает решеткам лучшие прочностные характеристики. Также в активную массу, заполняющую решетки пластин, иногда добавляется кислотостойкий полипропилен, что в сочетании с конверторной сепарацией существенно понижает вероятность осыпания и следующего за этим короткого замыкания при вибрации, возникающих на дорожных ухабах.
Некоторые компании используют технологию изготовления отрицательной пластины методом «тянутой ленты» – Expanded Metal. Решетки пластин получаются путем перфорации свинцово-кальциевой ленты с последующей растяжкой. При производстве пластин обычным способом в структуре металла образуется множество пор. В эти поры в процессе эксплуатации проникает электролит и существенно ускоряет коррозию пластины. Использование технологии Expanded Metal позволяет этого избежать и тем самым значительно увеличить срок службы аккумулятора. Помимо этого, она имеет еще одно существенное преимущество перед аккумуляторами, произведенными по традиционной технологии, в которых при хранении необратимый процесс коррозии начинается через 3 месяца после производства, что снижает технические характеристики и сокращает срок службы.
Помимо всего прочего, технология Expanded Metal существенно уменьшает затраты на производство пластин: линию обслуживает один человек, а производительность ее в десять раз выше обычной. Да и сама пластина требует значительно меньшего количества свинца – она тоньше и ниже.
Однако некоторые специалисты считают, что у технологии Expanded Metal есть достаточно серьезные недостатки: во-первых, пластина тоньше и служит она недолго (плюсовая пластина – в среднем около двух лет). Во-вторых, не имеет рамки по бокам (так как нарезается из ленты) и ее края очень острые. Они могут повредить конверт-сепаратор, в результате чего происходит замыкание между электродами, то есть батарея выходит из строя. В-третьих, такая пластина может быть только кальциевой, а значит, плохо переносит запуск двигателя на морозе и тяжелые условия эксплуатации.
Ряд компаний предлагает в линейке своей продукции модели аккумуляторов для северного климата. Это не маркетинговый ход: оптимальная температура для работы АКБ – 27°С. Зато в мороз эффективность батареи падает почти в два раза! Поэтому если авто эксплуатируется в холодном климате, необходимо использовать аккумулятор с увеличенными параметрами: током холодного пуска (величина силы тока, подаваемого на стартер автомобиля во время запуска двигателя). Ток холодного запуска численно равен количеству ампер, которым батарея может разряжаться в течение 30-ти секунд при температуре -18°С. При этом напряжение на клеммах не должно опускаться ниже 7,2 В. АКБ для условий низких температур как раз и обладает более высоким показателем тока холодного пуска. Также при низких температурах можно использовать батарею большей, чем рекомендовано в технической документации, номинальной емкости. Она, однако, не должна превышать ее более чем на 20%.
Протекает? Загустим!
Выше мы уже упоминали о таком «чудесном» свойстве электролита – вытекать при повреждении корпуса АКБ. Самое очевидное решение этой проблемы – «железобетонный» моноблок. Однако есть более элегантный выход. Современная химическая промышленность позволила использовать технологию абсорбирующего стекловолокна (AGM – Absorbed Glass Material), пропитанного электролитом. Батарею теперь можно хоть на бок поставить – на работоспособность это никак не повлияет. И даже повреждение корпуса будет абсолютно некритичным. Помимо замечательных механических свойств, AGM имеет и ряд химических преимуществ. Батарея, изготовленная по такой технологии, никогда не выкипит. Кроме того, AGM отличает почти полное отсутствие саморазряда батареи, то есть уменьшения емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи (при без действии). Это явление вызвано окислительно-восстановительными реакциями, самопроизвольно проходящими как на отрицательном, так и на положительном электродах. Саморазряд также может вызывать наружное загрязнение АКБ электролитом, водой или другими жидкостями. Они формируют электропроводную пленку, находящуюся между клеммами аккумулятора. Для устранения этого эффекта необходимо содержать поверхность автомобильного аккумулятора в чистоте.
Обычно аккумулятор располагается в моторном отсеке. Законы, ограничивающие уровень шума, заставляют производителей все тщательнее изолировать любые отверстия, что приводит к повышению температуры. А как раз высокой температуры этот агрегат не переносит. В этом случае существует опасность закипания электролита. Ведь верхний предел его рабочей температуры – 100°С, но даже если температура приближается к максимальному значению, срок службы батарей снижается в три-четыре раза.
Кроме того, как мы упоминали, аккумуляторные батареи теряют часть воды из электролита и при штатном режиме работы. В итоге, снижается резервный уровень электролита над пластинами и повышается его плотность, что отрицательно влияет на ресурс батареи.
Скорость потери воды решающим образом зависит как от применяемых для производства аккумуляторной батареи материалов, так и от состояния электрооборудования автомобиля. В зависимости от сочетания всех этих факторов, она может отличаться в десять и даже в 30 раз. Поэтому снижение уровня электролита до критического возможно и за один-три месяца (при неисправном регуляторе напряжения) и за два-четыре года. Поэтому при применении классических свинцовых обслуживаемых батарей приходится мириться с проверкой уровня электролита не реже 1-2 раза в месяц и доливкой дистиллированной воды, а также сравнительно высокой скоростью саморазряда – до 14% в месяц. Она прогрессирует в процессе эксплуатации и после 1,5-2 года работы увеличивается в 3-4 раза. Поэтому при долгом бездействии таких аккумуляторных батарей их необходимо подзаряжать каждые 1-2 месяца. Технология изготовления электролита с абсорбирующим стекловолокном позволяет полностью решить проблему обслуживания батареи. Однако здесь есть одно «но»: такая АКБ гораздо чувствительнее к качеству электрооборудования автомобиля.
Бессменно на посту
Для полного рассмотрения всех конструкторских методов лечения «детских болезней» аккумуляторов нам попросту не хватит места. Одно можно сказать точно: из года в год АКБ становится легче, компактнее и прочнее, преумножая свою накопительную силу. Несмотря на то, что уже больше века этот агрегат несет одно и то же невыразительное имя – «свинцово-кислотный источник тока» – неказистая коробка АКБ до сих пор не прекращает эволюционировать на чертежных досках, и пока что никакой другой электрический агрегат не смог вытеснить ее из автопрома.