Меню

Аккумулятор как работает и принципы его устройства

Устройство аккумулятора

Прототип современного аккумулятора был изобретён в начале 19 века во Франции. С тех пор, где бы ни были сделаны аккумуляторные батареи (в Японии, России или Германии), все они используют один принцип действия аккумулятора. Он основан на протекании химической реакции, называемой двойной сульфатацией. В этой статье будут даны ответы на вопросы, как устроен и как работает аккумулятор.

Автомобильный аккумулятор

Типы аккумуляторов

Электротехническое оборудование, являющееся источником электричества, называют аккумулятором. В результате химических реакций освобождённая энергия преобразуется в электрический ток. АКБ прочно вошли во многие сферы деятельности человека. Например, без аккумуляторной батареи любой транспорт будет обездвижен. На сегодня можно выделить 4 группы мобильных источников тока:

  1. Свинцово-кислотные.
  2. Литий-ионные.
  3. Никель-кадмиевые.
  4. Никель-железные.

Читателей больше интересуют те аккумуляторы, с которыми они сталкиваются в быту. Это акб, которые применяются для:

  • автомобилей;
  • шуруповёртов;
  • мобильных телефонов и ноутбуков;
  • пальчиковые акб.

Кислотный аккумулятор для автомобилей

Устройство аккумулятора для автомобиля состоит из следующих компонентов:

  1. Корпус сделан из кислотоупорного пластика.
  2. Сверху установлена крышка с заливочными отверстиями и двумя разнополюсными клеммами.

Схема строения АКБ

  1. Внутри контейнера находится 6 банок.
  2. В каждой банке – пакет из свинцовых пластин и пластинок из диоксида свинца. Между ними проложены диэлектрические сепараторные прокладки.
  3. Все банки залиты электролитом – водным раствором серной кислоты.
  4. Заливные отверстия имеют книзу форму конуса, в донышках которых сделан паз. Это нужно для визуального контроля уровня электролита.
  5. Последовательно соединённые свинцовыми дорожками группы пакетов (плюсовые и минусовые) выведены на клеммы аккумулятора.
  6. Отверстия в банках закрыты завинчивающими пробками с воздушными клапанами. В случае перегрузки пары кипящего электролита выбрасываются через них в атмосферу.

Принцип работы аккумулятора основан на том, что в результате взаимодействия электролита с катодными и анодными пластинами возникает электрический ток, который поступает на внешние полюсные выводы. В результате протекания электрохимической реакции плотность электролита падает, и вода начинает испаряться. На положительных свинцовых пластинах появляется слой сульфата свинца.

При подключении акб к зарядному прибору возобновляется процесс в обратном порядке: сульфат преобразуется обратно в свинец, и повышается плотность электролита.

Важно! Нужно регулярно проверять высоту поверхности электролита. Донышко конуса должно быть вровень с уровнем жидкости. Если оно сухое, то необходимо долить дистиллированную воду. В противном случае оголившиеся пластины внутри банки будут разрушаться, и АКБ выйдет из строя.

Щелочная аккумуляторная батарея

Принцип действия аккумулятора со щелочным электролитом ничем не отличается от работы свинцово-кислотной батареи. Различие заключается в том, что вместо раствора серной кислоты в батарею заливают раствор едкого кали. Кроме того, отрицательные пластинки сделаны из кадмия губчатой структуры с примесью железа. Анодные пластинки выполнены из никеля в смеси с чешуйчатым графитом. Установленные в банках пары пластинок параллельно соединены между собой.

Во время зарядки валентность никеля меняет своё значение с 2 до 8, и он становится гидратом окиси. Окиси кадмия и железа становятся металлами. Когда аккумулятор разряжается, процессы протекают в обратном порядке.

По сравнению с кислотными собратьями, щелочные источники электроэнергии устойчиво переносят нагрузки механического характера – тряску и удары. Испарение вредных газов происходит в незначительном количестве. Батареи легко переносят перезарядку.

К сведению. Единственным недостатком щелочного электрооборудования из-за применения дорогостоящих материалов является его высокая стоимость (в 4 раза дороже кислотных батарей).

Аккумулятор шуруповёрта

Мобильный шуруповёрт не связан кабелем с электросетью. Его питание осуществляется за счёт аккумуляторного блока, который вставляют в рукоятку электроинструмента. Компактное расположение акб снизу ручки позволяет легко и удобно пользоваться шуруповёртом.

Аккумуляторный блок шуруповёрта

Блок питания оснащён выступом, на котором видно расположение контактных клемм. Они служат, как для подключения питания к самому инструменту, так и для подсоединения к зарядному устройству. Внутри контейнера помещены сами аккумуляторные батарейки. Они относятся к классу литиево-ионных аккумуляторов. Элементы сделаны в неразборном исполнении, и они не подлежат ремонту.

Батареи объединены проводами от плюса к минусу, приваренными к выводам точечной сваркой. Брендовые устройства оснащены термодатчиками, которые отключают питание в случае перегрева батарей (свыше 500С), как при работе инструмента, так и во время зарядки.

Внутри зарядного устройства находятся электронная плата управления процессом зарядки и микросхема, отвечающая за отключение и возобновление работы зарядного устройства.

Ремонт аккумуляторного блока шуруповёрта

  1. Контейнер вскрывают, вывинчивая винты в его корпусе.
  2. Отрезают провода от блока аккумуляторных батарей.
  3. Новые батарейки оборачивают скотчем в том же порядке, в каком было расположение старых элементов.
  4. На выводы полюсов накладывают полоску из никеля.
  5. Точечной сваркой соединяют никелевую дорожку с полюсами батареек.
  6. Также приваривают соединительные провода к концевым выводам акб и клеммам корпуса.
  7. Блок устанавливают в контейнер и закрывают крышкой.
  8. Новый аккумулятор вставляют в зарядное устройство.
  9. По окончании зарядки аккумулятор готов к работе.

Дополнительная информация. Для того чтобы заменить старые аккумуляторные элементы на новые батареи, нужно использовать только точечную сварку.

АКБ для мобильных телефонов

Простые мобильные телефонные аппараты вытесняются из сферы пользования смартфонами. Все они в своих корпусах имеют литиевые батареи. На них нанесена маркировка – Li-ion battery. Они бывают разных размеров, различной ёмкости, в зависимости от модели телефона и производителя.

Внутри алюминиевого корпуса батареи помещены плёнки из графита и диоксида лития. Электролит выглядит в виде густой смазки, который заполняет пространство между листками. На одной из сторон акб установлена электронная плата управления.

Аккумулятор для смартфона

Батарея мобильного телефона во время зарядки остаётся на своём месте. Телефон подключают кабелем к бытовой электросети. Полная зарядка аппарата будет видна на его экране в виде заполненного окошка.

Телефонные аккумуляторы не подлежат ремонту и разборке. При вскрытии корпуса можно отравиться ядовитыми испарениями электролита. Поэтому важна их утилизация отдельно от бытового мусора.

Следует заметить! Аккумуляторы для ноутбуков устроены таким же образом.

Аккумуляторная батарея для ноутбука

Пальчиковые аккумуляторные батарейки

Самый распространённый стандарт пальчиковых батарей – это аккумуляторы 18650. Цифры на маркировке обозначают размеры устройства: 18 мм – диаметр, 65 мм – длина корпуса.

Пальчиковая акб состоит из графитовой плёнки (анода) и расположенного внутри неё алюминиевого катода. Пространство между катодом и анодом заполнено густой смазкой из электролита. Всё это заключено в прочный алюминиевый корпус. По сторонам цилиндра находятся выводы батарейки. Плюсовая клемма выглядит в виде диска с цилиндрическим выступом, минусовый полюс сделан плоским пятачком.

Под плюсовой клеммой установлена микро плата – контроллер. Электронная схема, покрытая фольгой, служит для того, чтобы не допускать перегрев и перезаряд батареи во время процесса её зарядки.

В брендовых изделиях изготовитель вставляет предохранительные клапаны, которые сбрасывают избыточное давление паров электролита при перегрузке акб.

АКБ 18650

Дополнительная информация. В дешёвых батарейках отсутствует защитная плата, что может вызвать разрушение содержимого аккумулятора. «Выгодная» покупка может обернуться различными неприятностями, вплоть до взрыва пальчиковой батареи.

Ремонт пальчиковых аккумуляторных батареек

Бывает, что практически новая дорогостоящая батарея перестаёт полноценно работать. Во всём виновата перегоревшая защитная плата.

Отремонтировать такую батарейку можно следующим образом:

  1. С корпуса удаляют полимерную оболочку.
  2. Кусачками удаляют контактную ленту.
  3. Вокруг плюсовой клеммы прорезают острым ножом щель. Осторожно приподнимают её.
  4. Из-под клеммы удаляют защитную плату.
  5. Плюсовой вывод ставят на место.
  6. Восстанавливают полимерное покрытие. Если нет фирменной плёнки, то батарею можно обернуть скотчем.

Важно! Отремонтированный аккумулятор нужно эксплуатировать с учётом того, что защита на нём отсутствует. Если элемент не перегружать, то он прослужит не один год.

Видео

Источник



Устройство и принцип работы аккумулятора

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока многоразового действия. Химические процессы внутри аккумулятора, в отличие от оных в одноразовых гальванических элементах, таких как щелочные или солевые батарейки, обратимы. Циклы заряда-разряда, накопления и отдачи электрической энергии, могут многократно повторяться.

Так, сам принцип действия аккумулятора позволяет циклически использовать его для автономного электроснабжения разнообразных устройств, портативных приборов, транспортных средств, медицинского оборудования и т. д. в совершенно различных сферах.

Устройство и принцип работы аккумулятора

Произнося слово «аккумулятор», имеют ввиду или сам аккумулятор или аккумуляторную ячейку. Несколько последовательно или параллельно соединенных друг с другом аккумуляторных ячеек образуют аккумуляторную батарею, как и несколько соединенных аккумуляторов.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Однажды экспериментируя с вольтовым столбом, Риттер взял пятьдесят кружков из меди, куски влажного сукна, и составил столб из пятидесяти таких кружков и влажного сукна между ними. Пропустив через конструкцию ток от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его столб зарядился и сам стал источником электричества. Это и был первый аккумулятор.

Читайте также:  Аккумулятор для Nissan Pathfinder diesel 3 0 R51 231 л с рестайлинг 2010 2014

Обратимость химической реакции в электролите и на электродах аккумулятора позволяет восстанавливать работоспособность аккумулятора — заряжать его после разряда. Ток в процессе заряда пропускается через аккумулятор в направлении, противоположном разряду.

Так например, свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря электрохимическим реакциям свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Формулы ниже отражают обратимые реакции, протекающие на аноде и на катоде: слева направо — реакция при разряде, справа налево — заряд.

Cвинцово-кислотный аккумулятор

Рассмотрим теперь устройство аккумулятора на примере автомобильной стартерной батареи. Ее напряжение 12 вольт. Состоит батарея из шести соединенных последовательно гальванических элементов, разделенных перегородками.

Последовательное соединение в данном случае обозначает, что отрицательный вывод одной ячейки подключен к положительному выводу следующей ячейки.

Каждый элемент включает в себя пару решетчатых электродов из свинцово-сурьмянистого сплава, погруженных в электролит, представляющий собой 38% водный раствор серной кислоты. Пористый сепаратор изолирует электроды друг от друга, предотвращая замыкания между ними, но свободно пропускает через себя электролит. То есть жидкость заполняет как ячейки свинцовых пластин, так и поры сепараторов.

Одноименные пластины соединены между собой свинцовыми перемычками, как и разделенные перегородками пакеты пластин, составляющие отдельные элементы, и выводы аккумулятора — тоже изготовлены из свинца.

Выводы автомобильного аккумулятора всегда немного отличаются в размере друг от друга — плюсовая клемма больше в диаметре чем минусовая, чтобы не ошибиться при подключении.

Устройство автомобильного аккумулятора

Корпус аккумулятора изготавливается из диэлектрического материала устойчивого к агрессивным средам, к перепадам температур и к вибрациям. Сегодня корпусы стартерных АКБ делают из полипропилена.

Корпус представляет собой герметично закрытую емкость с крышкой, оснащенную отбортовками для прочного крепления. В корпусах старых аккумуляторов всегда предусматривались пробки над каждым из гальванических элементов, составляющих батарею, чтобы можно было при необходимости доливать в них дистиллированную воду. Современные необслуживаемые аккумуляторы пробок на корпусах не имеют.

Другие статьи про аккумумляторы и их использование:

Источник

Устройство аккумулятора — что внутри и как работает

akkumulator-vidi

Блоки питания

Принципиально устройство аккумулятора больше чем за 150 лет с момента его изобретения не изменилось, хотя современность внесла серьёзные новшества в технологические процессы их изготовления и используемые материалы, из чего состоит аккумулятор.

виды-аккумуляторов

Автономный источник энергии

Что такое аккумулятор

Аккумулятор – автономный источник электричества, который накапливает, сохраняет и отдает энергию. Аккумуляторная батарея – важный элемент электрооборудования транспортного средства. Назначение акб определяется в запуске двигателя и обеспечении подачи электричества в бортовую сеть. Все электроприборы, когда выключен мотор, и не работает генератор, работают от батареи. Накопитель помогает в пробке, когда энергии генератора не хватает.

Устройство и принцип работы аккумулятора

Для того, чтобы разобраться, как работает аккумулятор, необходимо знать устройство акб, что внутри аккумулятора обеспечивает работу прибора. Основной принцип работы аккумулятора заключается в разности потенциалов при погружении двух пластин в электролит. В 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает 2 вольта. Все они объединены совместным корпусом, который образует единое целое конструкции.

аккумулятор-в-разрезе

Аккумулятор в разрезе

При работе этой конструкции, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора зависит от качества используемых материалов, из чего состоит акб.

Схема строения

схема-строения-аккумулятора

Схема строения

Виды аккумуляторов

Классификация акб по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Возникала необходимость по улучшению качества работы акб. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, потому что в них уже намного реже требовался долив воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт требовали постоянного долива, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов использовать герметичный, неразборной корпус.

  • Сурьмянистые батареи относятся к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
  • В малосурьмянистых акб материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
  • При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
  • Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
  • EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая из пластин закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
  • В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Такая технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
  • В литиевых акб используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
  • Отличительной особенностью AGM является то, что в электролит с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
  • Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными, щелочными. Щелочные растворы используются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости представляют собой сильные основания, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Такие составы можно приобрести в специализированных магазинах или же приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке также возможно довольно точно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности смешать кислоту с дистиллированной водой.

Важно! вода при минусовых температурах превращается в лед. Всегда при морозе нужно применять меры, необходимые для предотвращения замерзания аккумулятора.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Емкость не характеризует полностью энергию аккумулятора, т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

полярности-аккумулятора

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Читайте также:  Стала быстро садиться батарея на телефоне

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов. Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова.

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь.

Важно! При приобретении акб нужно знать, что европейские производители указывают габаритные размеры аккумулятора по корпусу. На азиатских корпусах могут указывать высоту батареи с учетом клемм или без них.

Российский стандарт акб

Обозначение Описание букв
А АКБ имеет общую крышку для всего корпуса
З Корпус батареи залит и она является полностью заряженной изначально
Э Корпус-моноблок АКБ выполнен из эбонита
Т Корпус-моноблок АБК выполнен из термопластика
М В корпусе использованы сепараторы типа минпласта из ПВХ
П В конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты

европейские-американские-акб

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – T ype 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

американский-аккумулятор

Американский стандарт

Тип крепления

При выборе акб особое внимание следует обращать на тип крепления АКБ, при котором батарея может крепиться снизу или сверху. Вверху крепится элемент с помощью специальной монтажной рамки, которая охватывает аккумулятор. Крепление аккумулятора происходит с помощью планки и двух шпилек. Чаще такой вид установки и фиксации аккумуляторной батареи встречается на автомобилях китайского или корейского производства.

типы-крепления-аккумуляторов

Тип крепления встречается на «азиатах»

Нижнее крепление применимо на европейских автомобилях. На нижней части корпуса акб находится выступ, за который аккумулятор прижимается к платформе с помощью пластины и винта.

крепление-аккумулятора

Нижнее крепление

Назначение аккумуляторных батарей

Автомобильная аккумуляторная батарея выступает как источником электрического тока, необходимого для пуска двигателя, так и резервным источником питания, в случае, если энергии, вырабатываемой генератором, оказывается мало для электроснабжения авто. Аккумуляторная батарея действует как стабилизатор напряжения, так как она выполняет роль накопителя электроэнергии, отдающего во время пуска двигателя за короткое время большой ток, и пополняемого постепенно генератором автомобиля в процессе подзарядки.

Важно! Перед проверкой системы электроснабжения и электрического пуска, необходимо убедиться в том, что аккумуляторная батарея находится в заряженном состоянии и готова к эксплуатации.

В каких сферах используется

Аккумуляторные батареи используются как дополнительный или основной источник питания. Надежность, простота в использовании позволяет применять батареи в различных областях:

  • автомобильная промышленность;
  • освещение в аварийном состоянии;
  • переносное электрооборудование;
  • медицинское оборудование;
  • игрушки;
  • сигнализация в разных сферах применения;
  • телекоммуникационное оборудование.

приминение-батарей

Применение батареи в игрушках

Роль акб в работе приборов не оспорима. Применение источника энергии практически во всех отраслях доказывает значимость и необходимость знаний о внутреннем содержимом батарей. С использованием в автомобилях широкого разнообразия электроприборов, кондиционеров, мультимедийных центров, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка энергией поступает от АКБ, который кроме этого выполняет основную функцию, обеспечивает электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор, чтобы выявить сбои в работе источника энергии, назначение аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю. О способах и рекомендациях как проверить аккумулятор читай тут.

Источник

Аккумулятор: устройство, назначение, принцип работы

Как работает аккумулятор 5

Аккумулятор представляет собой устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество. Его используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций. Разряжается – снова заряжают. Применяются аккумуляторы в качестве автономных и резервных источников питания для электротехнического оборудования и различных устройств.

Устройство аккумулятора

Как работает аккумулятор 4

В автомобилях обычно применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Рассмотрим их устройство.

Все элементы располагаются в корпусе, который изготавливают из полипропилена. Корпус состоит из емкости, разделенной на шесть ячеек, и крышки, оснащенной дренажной системой для стравливания давления и отвода газа. На крышку выводится два полюса (клеммы) – положительный и отрицательный.

Содержимое каждой ячейки представляет собой пакет из 16 свинцовых пластин, полярность которых чередуется. Восемь положительных пластин, объединенных бареткой, являются плюсовым электродом (катодом), восемь отрицательных – минусовым (анодом). Каждый электрод выводится к соответствующей клемме аккумулятора.

Пакеты пластин в ячейках погружены в электролит – раствор серной кислоты и воды плотностью 1,28 г/см3.

Между пластинами электродов, для предотвращения замыкания, вставлены сепараторы – пористые пластины, которые не препятствуют циркуляции электролита и не взаимодействуют с ним.

Отдельная пластина электрода – это решетка из металлического свинца, в которую впрессован (намазан) реагент. Активная масса катода – диоксид свинца (PbO2), анода – губчатый свинец.

Принцип действия аккумуляторов

Как работает аккумулятор 2

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

Как работает аккумулятор 3

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

Источник

Аккумулятор: как работает и принципы его устройства

Как устроены аккумуляторы

Аккумуляторные батареи (АКБ) используются повсюду в качестве мобильных и стационарных источников питания: в подъемно-транспортном оборудовании, как элементы аварийного и резервного энергоснабжения, являются основой для автономности огромного разнообразия портативных устройств. Понимание того, как работает аккумулятор, поможет правильно заряжать смартфон и продлить срок службы батареи автомобиля.

  • Исторический обзор
  • Устройство и принцип работы
  • Особенности зарядки и разрядки
  • Типы аккумуляторов
    • Свинцово-кислотные
    • Щелочные батареи
    • Литиевые перезаряжаемые устройства

Исторический обзор

Разработку первого гальванического элемента приписывают итальянскому физику Алессандро Вольта. Он проводил серию экспериментов с электрохимическими явлениями в течение 1790-х годов и примерно в 1800-м создал первую батарею, которую современники назвали «вольтовым столбом». Устройство состояло из чередующихся цинковых и серебряных дисков, разделённых слоями бумаги или ткани, которые были смочены в растворе натрия гидроксида.

Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы. Дальнейшая эволюция выглядела так:

Какие бывают аккумуляторы

  • 1836 году британский химик Джон Даниель представил усовершенствованную модель ячейки, состоящую из медных и цинковых электродов, погруженных в соляную кислоту. Элемент Даниеля был в состоянии обеспечить постоянное напряжение несравнимо эффективнее, чем устройства Вольта.
  • 1839 год. Дальнейший прогресс состоялся благодаря физику Гроуву с его двухжидкостной ячейкой, состоящей из цинка, погружённого в разбавленную серную кислоту, находящуюся в пористой ёмкости. Последняя отделяла серную кислоту от сосуда, содержащего азотную с помещённым в неё платиновым катодом. Азотная кислота служила в качестве окисляющего агента, предотвращающего потерю напряжения в результате накопления водорода на катоде. Немецкий химик Роберт Бунзен заменил платину на недорогой уголь в элементе Гроува и тем самым содействовал широкому признанию этого типа батарей.
  • В 1859 году Гастон Планте изобрёл свинцово-кислую ячейку — предтечу современного автомобильного аккумулятора. Устройство Планте было в состоянии произвести необычайно большой ток, но использовалось только для опытов в лабораториях на протяжении почти двух десятилетий.
  • 1895—1905 годы. Изобретение щелочных элементов никель-кадмиевого и никель-железного типа. Это позволило создавать системы со значительным количеством циклов заряда-разряда.
  • С 1930-х началось развитие серебряно цинковых и ртутно-цинковых щелочных батарей, которые обеспечивали высокую плотность энергии на единицу веса и объёма.
  • С середины XX века достижения в области производственных технологий и появление новых материалов привели к созданию ещё более мощных и компактных аккумуляторов. Самым заметным было появление на рынке никель-металл-гидридных и литиевых батарей.
Читайте также:  Как собрать один аккумулятор из двух

Устройство и принцип работы

Принцип работы аккумуляторов

Батареей называют устройство, которое преобразует энергию химических реакций в электрическую. Хотя термин «батарея» и обозначает сборку из двух или более гальванических элементов, способных к такому преобразованию, в широком смысле он применяется и к единичному элементу такого типа.

Каждый такая ячейка имеет катод (положительный электрод) и анод (отрицательный). Эти электроды разделены электролитом, обеспечивающим обмен ионами между ними. Электродные материалы и состав электролита подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную электродвижущую силу между клеммами батареи.

Поскольку электроды содержат ограниченный потенциал химической энергии, батарея во время работы будет истощена. Тип гальванических элементов, который приспособлен для пополнения после частичного или полного разряда, называется аккумуляторами. Сборка из таких соединённых между собой ячеек — аккумуляторной батареей. Работа АКБ предполагает циклическую смену двух состояний:

  • Зарядка — батарея работает в качестве приёмника электроэнергии, внутри ячеек электрическая энергия реализуется в химические изменения.
  • Разрядка — устройство функционирует как источник электрического тока благодаря преобразованию энергии химических реакций в электрическую.

Особенности зарядки и разрядки

Устройство акб

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи. Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения. Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда.

Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого. Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения. Основными параметрами, которые следует учитывать при эксплуатации обращаемых гальванических батарей:

Подзарядка аккумуляторов

  • Продолжительность жизни. Даже при правильном обращении количество циклов зарядки у АКБ ограничено. Различные системы АКБ изнашиваются не всегда по одинаковым причинам. Но в целом срок жизни аккумуляторов ограничен в первую очередь количеством циклов полного разряда-заряда, а во вторую — проектным сроком службы без привязки к интенсивности использования.
  • Время заряда. Принципиальное устройство АКБ не предполагает зарядку при сколь угодно высокой скорости: внутреннее сопротивление гальванического элемента приведёт к преобразованию избытка зарядного тока в тепло, что может необратимо повредить устройство. С физической точки зрения, время заряда ограничено максимальной скоростью диффузии активного материала через электролит. Упрощённо можно считать, что восстановление полной ёмкости за один час — хороший показатель.
  • Глубина разряда. Указывается в процентах от номинальной мощности. Характеризует полезную ёмкость. Для разных типов аккумуляторов рекомендуемый уровень эксплуатационного разряда может отличаться. Из-за изменений в процессе работы или старения показатель максимальной глубины теряет первоначальное значение.

Типы аккумуляторов

Конструктивно батареи различаются в зависимости от назначения и от типа протекающих в них электрохимических реакций. По способу их применения АКБ можно разделить на две основные категории:

Как использовать аккумуляторы

  1. Интегрированные в сеть. Эти батареи используются как устройство хранения, постоянно заряжаемое от главного источника энергии и подающее электричество к нагрузке в случаях, когда основной источник отсутствует или его недостаточно для выполнения задач. Примеры такого применения — автомобильные и авиационные системы, бесперебойное и резервное питание, гибридные установки.
  2. Автономные. Эти АКБ предназначены для устройств, в которых аккумулятор разряжается аналогично обычной необратимой батарее, а затем заряжается после истощения. Обратимые батареи в таких случаях применяют для удобства, экономии средств (пополнение ёмкости дешевле замены) или для питания оборудования за пределами возможностей обычных гальванических элементов. АКБ для большинства бытовой электроники, транспортных средств, тягового и грузового промышленного оборудования и некоторых стационарных устройств попадают в эту категорию.

В дополнение к способности перезаряжаться, аккумуляторные батареи, в сравнении с обычными гальваническими элементами, характеризуются высокой плотностью мощности и хорошей производительностью даже при низких температурах. В зависимости от состава электролита, материалов электродов и особенностей конструкции можно выделить три распространённых типа аккумуляторов.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания. Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме. Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Подзарядка аккумулятора

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

  • широкому диапазону возможностей как при производстве сильных, так и слабых токов;
  • надёжностью в течение сотен циклов в присутствии контроля заряда;
  • относительно низкой стоимости (свинец дешевле в пересчёте на ёмкость чем никель, кадмий, литий или серебро);
  • большой срок годности при хранении для перезаряжаемого устройства;
  • высокое напряжение единичной ячейки;
  • простотой изготовления (литьё, сварка, прокатка).

Автомобильный аккумулятор — наиболее известный свинцово-кислотный перезаряжаемый источник питания. Широко их применение в качестве тяговых в автофургонах, погрузчиках и других транспортных средствах. Хотя большинство их портативны, некоторые могут весить несколько тонн.

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов. Наиболее известные из них:

Виды аккумуляторов и батарей

  • Никель-кадмиевые. Способны выдавать исключительно высокие токи, перезаряжаться сотни раз, терпимы к ошибкам в обслуживании. Но, в сравнении со свинцово-кислотными, тяжелы и имеют ограниченную плотность энергии. Их долговечность напрямую зависит от полной разрядки в каждом цикле. Если её не делать, элементы проявляют так называемый эффект памяти, который выражается в снижении их ёмкости. Используются широко для запуска авиадвигателей, систем аварийного жизнеобеспечения и в сочетании с источниками солнечной энергии.
  • Никель-цинковые. Самые привлекательные, с точки зрения их развития. Если их жизненный цикл будет значительно продлён, системы такого рода могут стать жизнеспособной заменой для никель-кадмиевых и свинцово-кислых батарей.
  • Никель-железные. Могут обеспечить тысячи циклов, но не перезаряжаются эффективно. При пополнении ёмкости заметно выделяют тепло и потребляют много электроэнергии.
  • Никель-водородные. Были изобретены прежде всего для космической программы США. Водород в таких системах служит активным анодным материалом. Заменяют собой никель-кадмиевые во многих областях, благодаря высокой мощности на единицу объёма и терпимости к качеству обслуживания. Используются в электрических транспортных средствах.
  • Цинково-марганцевые. Применяются в системах, не нуждающихся в большом количестве электричества. Высокая плотность энергии и низкая стоимость этих батарей способствует дальнейшей инженерной работе над их усовершенствованием.
  • Серебряно-цинковые. Одни из самых дорогих. Используются там, где высокая плотность мощности, малый вес и малый объём имеют решающее значение: в специальных транспортных средствах и портативных радиолокационных узлах.

Литиевые перезаряжаемые устройства

Литейные аккумуляторы

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития. На момент появления батареи на основе металлического лития были многообещающими благодаря впечатляющему потенциалу к миниатюризации, но оказались крайне нестабильны из-за риска протекания бурных химических реакций на аноде. Поэтому основной коммерческий успех этого типа АКБ состоялся с применением литий ионных технологий, суть которых заключалась в том, что вместе с отказом от металлического анода роль электролита взяли на себя сложные соли лития.

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники. Главный недостаток литиевых батарей — риск неожиданного возгорания от перегрева. Даже самые современные из них оснащаются дополнительным электронным контролем процессов зарядки-разрядки в целях безопасности. Литий полимерные батареи — более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный. Эти батареи легче обычных литий ионных, но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Прогресс не стоит на месте. Сейчас инженеры и технологи разрабатывают модели принципиального устройства аккумуляторов будущего, которые придут на смену литий-ионным аккумуляторам.

Появление наноматериалов способно дать толчок новому витку эволюции батарей с такими удивительными для современных устройств свойствами, как мгновенная зарядка, эластичность, сверхкомпактность и экологическая безопасность.

Источник