Автомобильный аккумулятор

Автомобильный аккумулятор , или автомобильный аккумулятор , представляет собой перезаряжаемую батарею , которая используется для запуска автомобиля .
Его основная цель — подать электрический ток на электрический стартер с химическим приводом , который, в свою очередь, запускает двигатель внутреннего сгорания , который фактически приводит в движение автомобиль. Когда двигатель работает, питание для электрических систем автомобиля по-прежнему подается от аккумулятора, при этом генератор заряжает аккумулятор по мере увеличения или уменьшения потребности.
Аккумулятор в современных автомобилях
[ редактировать ]Бензиновый и дизельный двигатель
[ редактировать ]Обычно при запуске используется менее трех процентов емкости аккумулятора. По этой причине автомобильные аккумуляторы рассчитаны на выдачу максимального тока в течение короткого периода времени. По этой причине их иногда называют «батареями SLI» для запуска, освещения и зажигания. Аккумуляторы SLI не предназначены для глубокой разрядки, а полная разрядка может сократить срок службы аккумулятора. [1] [2]
Помимо запуска двигателя, аккумулятор SLI обеспечивает дополнительную мощность, необходимую, когда электрические потребности автомобиля превышают мощность системы зарядки. Это также стабилизатор, выравнивающий потенциально опасные скачки напряжения . [3] Во время работы двигателя большая часть мощности обеспечивается генератором переменного тока, который включает в себя регулятор напряжения, поддерживающий выходное напряжение в диапазоне от 13,5 до 14,5 В. [4] Современные аккумуляторы SLI представляют собой свинцово-кислотные батареи , в которых используются шесть последовательно соединенных элементов для обеспечения номинального 12-вольтовой системы (в большинстве легковых автомобилей и легких грузовиков) или двенадцать ячеек для 24-вольтовой системы в тяжелых грузовиках или землеройном оборудовании. , например. [5]
Взрыв газа может произойти на отрицательном электроде, где может накапливаться газообразный водород из-за заблокированных вентиляционных отверстий аккумулятора или плохой вентиляции в сочетании с источником возгорания. [6] Взрывы во время запуска двигателя обычно связаны с корродированными или грязными штырями аккумуляторной батареи. [6] Исследование, проведенное в 1993 году Национальной администрацией безопасности дорожного движения США , показало, что 31% травм от взрыва автомобильного аккумулятора произошел во время зарядки аккумулятора. [7] Следующими наиболее распространенными сценариями были работа с кабельными соединениями, запуск от внешнего источника, обычно из-за невозможности подключения к разряженной батарее перед источником зарядки и невозможности подключения к шасси автомобиля, а не непосредственно к заземленному полюсу аккумулятора, и во время проверка уровня жидкости. [6] [7] Около двух третей раненых получили химические ожоги, а почти три четверти получили травмы глаз, помимо других возможных травм. [7]
Электрические и гибридные автомобили
[ редактировать ]Электромобили (EV) питаются от высоковольтной аккумуляторной батареи электромобиля , но обычно они также имеют автомобильную аккумуляторную батарею, поэтому в них можно использовать стандартные автомобильные аксессуары, рассчитанные на работу от напряжения 12 В. Их часто называют вспомогательными. батареи.
В отличие от обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания , электромобили не заряжают вспомогательную батарею с помощью генератора — вместо этого они используют преобразователь постоянного тока в постоянный для понижения высокого напряжения до необходимого напряжения плавающего заряда (обычно около 14 В). . [8]
Кроме того, электромобиль не имеет стартера, поэтому ему требуется лишь ограниченное количество мощности и энергии от вспомогательной батареи. Таким образом, в 2021 году Tesla представила литий-ионную вспомогательную батарею, сохраняющую всего 99 Втч энергии. [9]
История
[ редактировать ]Ранние автомобили не имели аккумуляторов, поскольку их электрические системы были ограничены. Электрическая мощность для зажигания обеспечивалась магнето , двигатель запускался рукояткой , фары работали на бензине , а вместо электрического звукового сигнала использовался звонок или лампочка-гудок. Автомобильные аккумуляторы стали широко использоваться примерно в 1920 году, когда автомобили стали оснащаться электростартерами . [10]
Первые системы запуска и зарядки были разработаны как системы с напряжением 6 В и положительным заземлением , при этом шасси автомобиля было напрямую подключено к положительной клемме аккумулятора. [11] Сегодня почти все дорожные транспортные средства имеют систему отрицательного заземления. [12] автомобиля Отрицательная клемма аккумулятора подключена к шасси .
Компания Hudson Motor Car была первой, кто использовал стандартизированную батарею в 1918 году, когда они начали использовать батареи Battery Council International . BCI — это организация, устанавливающая стандарты размеров аккумуляторов. [13]
До середины 1950-х годов в автомобилях использовались электрические системы и аккумуляторы напряжением 6 В. Переход с 6 на 12 В произошел, когда более крупным двигателям с более высокой степенью сжатия требовалось больше электроэнергии для запуска. [14] Автомобили меньшего размера, которым требовалось меньше энергии для запуска, работали на 6 В дольше, например Volkswagen Beetle в середине 1960-х годов и Citroën 2CV в 1970 году. Герметичный аккумулятор, не требующий дозаправки, был изобретен в 1971 году. [10]
В 1990-х годах электрической системы на 42 В. был предложен стандарт Он был предназначен для создания более мощных аксессуаров с электроприводом и более легких автомобильных жгутов проводов. Наличие более эффективных двигателей, новых технологий электропроводки и цифрового управления, а также акцент на гибридных транспортных системах, в которых используются высоковольтные стартеры/генераторы, в значительной степени устранили необходимость переключения основных автомобильных напряжений. [15]
В 2023 году Tesla начала поставки своего Cybertruck , в котором используется электрическая система на 48 В , что позволяет сократить количество проводов в автомобиле на 70%. [16]
Дизайн
[ редактировать ]Автомобильный аккумулятор является примером аккумулятора с мокрыми элементами , состоящего из шести ячеек. Каждая ячейка свинцовой аккумуляторной батареи состоит из чередующихся пластин из сетки из свинцового сплава, заполненной пластинами губчатого свинца ( катода ). [17] или покрыт диоксидом свинца ( анод ). [17] Каждая ячейка заполнена раствором серной кислоты , которая является электролитом. Первоначально каждая ячейка имела крышку заливной горловины, через которую можно было видеть уровень электролита и которая позволяла добавлять воду в ячейку. Крышка заливной горловины имела небольшое вентиляционное отверстие, которое позволяло газообразному водороду , образующемуся во время зарядки, выходить из аккумулятора.
Ячейки соединяются короткими тяжелыми перемычками от положительных пластин одной ячейки к отрицательным пластинам соседней ячейки. Пара тяжелых клемм, покрытых свинцом для защиты от коррозии, крепится вверху, а иногда и сбоку, на аккумуляторе. В первых автомобильных аккумуляторах использовались корпуса из твердой резины и деревянные пластинчатые сепараторы. В современных устройствах используются пластиковые корпуса и тканые листы, чтобы предотвратить соприкосновение пластин ячейки и короткое замыкание.
Раньше автомобильные аккумуляторы требовали регулярного осмотра и обслуживания для замены воды, разложившейся во время работы аккумулятора. В батареях, не требующих особого обслуживания (иногда называемых «нулевым обслуживанием»), для пластинчатых элементов используется другой сплав, что уменьшает количество воды, разлагающейся при зарядке. Современной батарее может не потребоваться дополнительная вода в течение всего срока ее службы; в некоторых типах отсутствуют отдельные крышки заливной горловины для каждой ячейки. Слабым местом этих аккумуляторов является то, что они очень нетерпимы к глубокому разряду, например, когда автомобильный аккумулятор полностью разряжается, если оставить включенным свет. Это покрывает электроды из свинцовой пластины отложениями сульфата свинца и может сократить срок службы батареи на треть или более.
Батареи VRLA , также известные как батареи с абсорбированным стекломатом (AGM), более устойчивы к глубокому разряду, но стоят дороже. [18] Батареи VRLA не допускают добавления воды в элемент. Каждый элемент оснащен автоматическим клапаном сброса давления для защиты корпуса от разрыва при серьезной перезарядке или внутреннем отказе. Аккумулятор VRLA не может пролить электролит, что делает его особенно полезным в таких транспортных средствах, как мотоциклы.
Батареи обычно состоят из шести гальванических элементов, соединенных последовательно . Каждая ячейка обеспечивает напряжение 2,1 В, что в сумме составляет 12,6 В при полной зарядке. [19] Во время разряда на отрицательной (свинцовой) клемме происходит химическая реакция, высвобождающая электроны во внешнюю цепь, а на положительной (оксид свинца) клемме другая химическая реакция поглощает электроны из внешней цепи. Это заставляет электроны проходить через провод внешней цепи (электрический проводник ), создавая электрический ток ( электричество ). Когда аккумулятор разряжается , кислота электролита вступает в реакцию с материалами пластин, превращая их поверхность в сульфат свинца . Когда аккумулятор перезаряжается , химическая реакция меняется на обратную: сульфат свинца превращается в диоксид свинца. Когда пластины будут восстановлены в исходное состояние, процесс можно повторить.
В некоторых автомобилях используются другие стартерные батареи. Для снижения веса Porsche 911 GT3 RS предлагается литий-ионная батарея ; 2010 года в качестве опции [20] начиная с 2018 года все обычные гибриды Kia Niro также оснащены такой системой. [21] Тяжелые транспортные средства могут иметь две батареи, соединенные последовательно для системы 24 В, или могут иметь последовательно-параллельные группы батарей, питающие 24 В. [22]
Технические характеристики
[ редактировать ]Физический формат
[ редактировать ]Батареи сгруппированы по физическому размеру, типу и расположению клемм, а также способу монтажа. [18]
Ампер-часы (Ач)
[ редактировать ]Ампер-часы (Ач или А·ч) — это единица измерения емкости аккумулятора. Этот рейтинг требуется по закону в Европе.
Номинальный ток в ампер-часах обычно определяется как произведение тока, который аккумулятор может обеспечить в течение 20 часов с постоянной скоростью, при температуре 80 градусов F (26,6 °C), пока напряжение падает до порогового значения 10,5 вольт) на 20 часов. Теоретически, при температуре 80 градусов по Фаренгейту батарея емкостью 100 Ач должна быть способна непрерывно обеспечивать ток 5 А в течение 20 часов, сохраняя при этом напряжение не менее 10,5 В. Зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не является линейной; при увеличении скорости разряда емкость уменьшается. Аккумулятор емкостью 100 Ач, как правило, не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 В в течение 10 часов при постоянной разрядке 10 А. Емкость также уменьшается с температурой.
Пусковой ток (CCA, CA, MCA, HCA)
[ редактировать ]- Амперы холодного запуска (CCA): ток, который аккумулятор может обеспечить при температуре 0 °F (-18 °C) в течение 30 секунд при поддержании напряжения не менее 7,2 В. двигателями с компьютерным управлением Современным автомобилям с инжекторными требуется не более нескольких секунд, чтобы завестись, а показатели CCA менее важны, чем раньше. [23] Важно не путать CCA с числами CA/MCA или HCA, поскольку последние всегда будут выше из-за более высоких температур. Например, батарея 250 CCA будет иметь большую пусковую мощность, чем батарея 250 CA (или MCA), а также батарея 250 CA будет иметь большую мощность, чем батарея 250 HCA. [24]
- Пусковой ток (CA): ток, который аккумулятор может обеспечить при температуре 32 °F (0 °C) в течение 30 секунд при напряжении, равном или превышающем 7,2 В.
- Морской пусковой ампер (MCA): как и CA, ток, который аккумулятор может обеспечить при температуре 32 °F (0 °C), часто встречается в батареях для лодок (следовательно, «морских») и садовых тракторов, которые с меньшей вероятностью эксплуатироваться в условиях, когда возможно образование льда. [25]
- Ампер горячего запуска (HCA) — это ток, который аккумулятор может обеспечить при температуре 80 °F (27 °C). Номинальный ток определяется как ток, который свинцово-кислотная батарея при этой температуре может отдавать в течение 30 секунд и поддерживать напряжение не менее 1,2 В на ячейку (7,2 В для 12-вольтовой батареи).
Размер группы
[ редактировать ]Размер группы Международного совета по батареям (BCI) определяет физические размеры батареи, такие как длина, ширина и высота. Эти группы определяются организацией. [26] [27]
Коды дат
[ редактировать ]- В Соединенных Штатах на аккумуляторах имеются коды, помогающие потребителям покупать недавно произведенные аккумуляторы. Когда батареи хранятся, они начинают терять заряд; это происходит из-за нетоковых химических реакций электродов с кислотой аккумулятора. Аккумулятор, изготовленный в октябре 2015 года, будет иметь цифровой код 10-5 или буквенно-цифровой код К-5. «А» — январь, «Б» — февраль и так далее (буква «И» пропускается). [23]
- В Южной Африке код батареи, обозначающий дату производства, находится на корпусе и отлит в левом нижнем углу крышки. Код представляет собой год и номер недели (YYWW), например 1336 соответствует 36-й неделе 2013 года.
Использование и обслуживание
[ редактировать ]Избыточное тепло является основной причиной отказов аккумуляторной батареи, например, когда электролит испаряется из-за высоких температур, что уменьшает эффективную площадь поверхности пластин, подвергающихся воздействию электролита, и приводит к сульфатации. Скорость коррозии сетки увеличивается с повышением температуры. [28] [29] Также низкие температуры могут привести к выходу из строя аккумулятора. [30]
Если аккумулятор разряжен до такой степени, что двигатель невозможно запустить, двигатель можно запустить от внешнего источника питания. После запуска двигатель может подзарядить аккумулятор, если генератор и система зарядки не повреждены. [31]
Коррозия на клеммах аккумулятора может помешать запуску автомобиля из-за электрического сопротивления , которое можно предотвратить путем надлежащего применения диэлектрической смазки . [32] [33]
Сульфатация – это когда электроды покрываются твердым слоем сульфата свинца, что ослабляет батарею. Сульфатация может произойти, когда аккумулятор не полностью заряжен и остается разряженным. [34] Сульфатированные аккумуляторы следует заряжать медленно, чтобы предотвратить повреждение. [35]
Аккумуляторы SLI (пусковые, осветительные и зажигательные) не рассчитаны на глубокий разряд, и срок их службы при этом снижается. [36]
Стартовые батареи имеют пластины, рассчитанные на увеличенную площадь поверхности и, следовательно, на большую мгновенную токовую способность, тогда как морские (гибридные) и аккумуляторы глубокого цикла будут иметь более толстые пластины и больше места в нижней части пластин для сбора отработанного материала пластин перед замыканием элемента.
Автомобильные аккумуляторы, в которых используются свинцово-сурьмяные пластины, требуют регулярной дозаправки чистой водой для возмещения потерь воды в результате электролиза и испарения. Заменив легирующий элемент на кальций, в более поздних разработках удалось снизить скорость потери воды. Современные автомобильные аккумуляторы требуют меньшего обслуживания и могут не иметь крышек для добавления воды в элементы. Такие батареи содержат дополнительный электролит над пластинами, чтобы компенсировать потери в течение срока службы батареи.
Некоторые производители аккумуляторов включают в себя встроенный ареометр , показывающий уровень заряда аккумулятора.

Основным механизмом износа является выпадение активного материала с пластин батареи, который скапливается на дне элементов и может в конечном итоге вызвать короткое замыкание пластин. Это можно существенно уменьшить, поместив один комплект пластин в пластиковые сепараторные пакеты, изготовленные из проницаемого материала. Это позволяет электролиту и ионам проходить сквозь пластины, но не позволяет шламу образовываться и закупоривать пластины. Шлам в основном состоит из сульфата свинца, который образуется на обоих электродах.
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Переработка автомобильных аккумуляторов снижает потребность в ресурсах, необходимых для производства новых аккумуляторов, отвлекает токсичный свинец от свалок и предотвращает риск неправильной утилизации. Как только свинцово-кислотная батарея перестает удерживать заряд, она считается использованной свинцово-кислотной батареей (ULAB), которая классифицируется как опасные отходы в соответствии с Базельской конвенцией . 12-вольтовый автомобильный аккумулятор является наиболее перерабатываемым продуктом в мире По данным Агентства по охране окружающей среды США, . Только в США ежегодно заменяется около 100 миллионов автомобильных аккумуляторов, и 99 процентов из них сдаются на переработку. [37] Однако в нерегулируемых условиях переработка может осуществляться неправильно. В рамках глобальной торговли отходами ULAB отправляются из промышленно развитых стран в развивающиеся страны для разборки и рекуперации содержимого. Около 97 процентов свинца можно восстановить. По оценкам Pure Earth , более 12 миллионов человек в развивающихся странах страдают от загрязнения свинцом в результате переработки ULAB. [38]
См. также
[ редактировать ]- Anderson Powerpole Разъемы
- Автомобильная вспомогательная розетка («прикуриватель»)
- Зарядное устройство для аккумулятора
- Тестер батареи
- Аккумулятор глубокого разряда
- Свинцово-кислотный аккумулятор
- Список автозапчастей
- Аккумулятор VRLA (AGM и гелевый элемент)
- Закон Пейкерта
- 48-вольтовая электрическая система
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джонсон, Ларри. «Урок по аккумулятору» . www.chargechargers.com . Зарядные устройства . Проверено 15 февраля 2016 г.
- ^ Прадхан, СК; Чакраборти, Б. (1 июля 2022 г.). «Стратегии управления аккумуляторами: важный обзор методов мониторинга состояния аккумуляторов» . Журнал хранения энергии . 51 : 104427. doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN 2352-152X .
- ^ «Что такое свинцовый аккумулятор?» . сайт Batterycouncil.org . Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Автомобильные зарядные системы – краткий курс о том, как они работают» .
- ^ «Вопросы и ответы: Автомобильные аккумуляторы» . van.Physics.illinois.edu . Проверено 18 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с Вартабедян, Ральф (26 августа 1999 г.), «Как избежать взрывов аккумуляторов (да, они действительно случаются)» , Los Angeles Times
- ^ Jump up to: а б с Травмы, связанные с опасностями, связанными с аккумуляторами транспортных средств , Национальное управление безопасности дорожного движения , июль 1997 г.
- ^ Херрон, Дэвид. «Зачем нужен свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В и как он заряжается в электромобиле?» . greentransportation.info . Проверено 24 мая 2020 г.
- ^ Кейн, Марк (07 ноября 2021 г.). «Новая литий-ионная вспомогательная батарея Tesla на 12 В имеет внутри элементы CATL» . Insideevs.com . Проверено 7 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б «История автомобильного аккумулятора» . racshop.co.uk . Архивировано из оригинала 28 декабря 2016 г. Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Положительное или отрицательное заземление — будет ли зарядное устройство работать на положительной наземной технике?» . Архивировано из оригинала 27 июля 2020 г.
- ^ «Почему ПОЗИТИВНАЯ ЗЕМЛЯ?» . MGAguru.com . Проверено 20 апреля 2019 г.
- ^ «Батареи 6 Вольт» . hemmings.com . Июль 2006 года . Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Переключение с 6 В на 12 В» . fillstation.com . Архивировано из оригинала 02 марта 2016 г. Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Что случилось с 42-вольтовой машиной?» . Популярная механика . 01.10.2009 . Проверено 18 февраля 2016 г.
- ^ Ахтар, Риз (1 декабря 2023 г.). « Совершенно новый шаг в технологии: цена Cybertruck начинается от 61 000 долларов США» . Ведомый . Австралия . Проверено 7 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Ле, Ти Миган (2001). Элерт, Гленн (ред.). «Напряжение автомобильного аккумулятора» . Справочник по физике . Проверено 24 января 2022 г.
- ^ Jump up to: а б «Как подобрать правильный автомобильный аккумулятор» . Отчеты потребителей . Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Основной уход за аккумулятором» . Популярная механика . 29 марта 2006 г. Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ Верт, Рэй (19 августа 2009 г.). «Porsche 911 GT3 RS 2010 года: готов к использованию на треке, разрешен к использованию на улицах и больше мощности» . Jalopnik.com. Архивировано из оригинала 21 октября 2009 года . Проверено 18 сентября 2009 г.
- ^ «Kia Niro 2017: Возмутитель спокойствия — Автомобильный гид» . amp.guideautoweb.com . Проверено 9 марта 2022 г.
- ^ «Автомобильные аккумуляторы/аккумуляторы SLI — аккумуляторы Fisher» . Батарейки Фишера . Архивировано из оригинала 6 февраля 2016 г. Проверено 15 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б «От наших экспертов: советы по автомобильному аккумулятору» . Отчеты потребителей . 2 декабря 2015 года. Архивировано из оригинала 6 декабря 2015 года . Проверено 17 февраля 2016 г.
- ^ «Зима близко… Знаете ли вы рейтинг CCA вашей батареи?» . Бауэр Билд Инк . Архивировано из оригинала 02 марта 2019 г. Проверено 14 мая 2021 г.
- ^ «Морской аккумулятор и автомобильный аккумулятор: в чем разница?» . 4 октября 2018 г.
- ^ «Руководство по обслуживанию аккумуляторов BCI, 14-е издание — Скачать — Международный совет по батареям» . сайт Batterycouncil.org . Архивировано из оригинала 07 августа 2020 г. Проверено 1 марта 2019 г.
- ^ "bci-аккумулятор-техническое-руководство" . yumpu.com . Архивировано из оригинала 02 марта 2019 г. Проверено 1 марта 2019 г.
- ^ Руетски, Пол (10 марта 2004 г.), «Механизмы старения и срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов», Journal of Power Sources , 127 (1–2): 33–44, Bibcode : 2004JPS...127...33R , doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.09.052
- ^ «Руководство по покупке автомобильных аккумуляторов» , Consumer Reports , август 2016 г.
- ^ Наиболее распространенные причины разрядки автомобильного аккумулятора на 12 В
- ^ Мальоцци, Том ; Маглиоцци, Рэй (1 апреля 2007 г.), «Хороша ли идея увеличить обороты двигателя во время запуска? Узнайте» , Car Talk , Tappet Brothers
- ^ Мейер, Алекс (17 декабря 2017 г.). «Почему автомобильные аккумуляторы ржавеют?» . Gear4Wheels .
- ^ «Как очистить корродированные клеммы автомобильного аккумулятора» . викиКак .
- ^ «Описание и лечение сульфатированных аккумуляторов с использованием зарядного устройства ММФ и разрядника/анализатора» .
- ^ Витте, О.А. (1922). Автомобильный аккумулятор, его уход и ремонт . Американское инженерное бюро.
(Полный текст через Project Gutenberg .)
- ^ Джонсон, Ларри. «Урок по аккумулятору» . www.chargechargers.com . Проверено 15 февраля 2016 г.
- ^ «Кто знал? Автомобильный аккумулятор — самый перерабатываемый продукт в мире» . Отчеты о зеленых автомобилях . Проверено 18 февраля 2016 г.
- ^ «Отчеты о проектах» . WorstPolluted.org . Проверено 18 февраля 2016 г.