Автомобильная аккумуляторная батарея (АКБ) или просто автомобильный аккумулятор представляет собой устройство, которое является неотъемлемой частью каждого современного автомобиля. Будь то автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, гибридный автомобиль с электроприводом или даже электромобиль.
История автомобильных аккумуляторов
Начало истории автомобильных аккумуляторов может иметь истоки еще в 250 году до Нашей Эры. Именно в это время существовала самая примитивная аккумуляторная батарея, которую обнаружили в руинах на территории современного Ирака. Нас интересуют именно автомобильные аккумуляторы, которые появились относительно не так давно.
Большинство современных автомобилей используют в своем составе свинцово-кислотные аккумуляторы. Первые наблюдения реакций происходящих со свинцом в растворе серной кислоты заметил немецкий медик и физик Вильгельм Йозеф Зинстеден в 1854 году во время экспериментов по измерению тока. Технология продолжила свое развитие. Аккумулятор такого образца впервые появился в 1859 году. Он был разработан французским физиком Гастоном Планте и являлся первым в мире аккумулятором, который мог заряжаться обратным током. До этого момента, все существующие аккумуляторы полностью разряжались при окончании в них химических реакций. Свинцово-кислотный элемент состоит из свинцового анода и катода из диоксида свинца, погруженных в серную кислоту. Первая модель Планте состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми полосками и скрученных по спирали. Его батареи впервые были использованы для питания фонарей в вагонах поездов при остановках на станциях.
В 1881 году французский инженер и химик Камиль Альфонс Фор изобрел улучшенную версию аккумулятора, которая состояла из свинцовой решетки, в которую вдавливается паста из оксида свинца, образуя пластину. Примечательностью являлось то, что несколько пластин можно было штабелировать для увеличения емкости аккумулятора. Еще одним плюсом пластин было, то что их проще изготавливать серийно. Удобность серийного производства не сделала этот аккумулятор популярным, так как на практике он оказался ненадежным. Происходило большое количество коротких замыканий и сами пластины разваливались во время эксплуатации. Американский изобретатель и бизнесмен Томас Эдисон охарактеризовал свинцово-кислотный аккумулятор как «коммерческий провал» и «механизм для обмана населения».
Анри Тюдор искал окончательное решение этих проблем и сам изготовил форму для отливки пластин с большой поверхностью, с помощью которой он построил свинцово-кислотный аккумулятор своей собственной конструкции. Электроды Tudor славились своей непревзойденной надежностью. Первый аккумулятор Тюдора был введен в эксплуатацию в 1882 году и бесперебойно проработал до 1887 года. Аккумуляторные пластины проработавшие постоянно в течении 16 лет находятся в музее Тюдоров в Роспорте(Люксембург).
Первый транспорт, который, вероятно, получил аккумуляторную батарею, является электромобиль шотландского изобретателя Уильяма Моррисона. Все верно, электромобили лежали в истоках автомобилестроения и в определенный период истории были самым популярным средством передвижения, но статья не об этом. Электромобиль Моррисона с батарейным питанием способен был перевозить до 7 пассажиров. Он был произведен между 1888 и 1890 годом. Чтобы продемонстрировать полезность изобретения Моррисона, автомобиль был представлен на параде Seni Om Sed 1890 года в Де-Мойне. На мероприятии присутствовало от 85 до 100 тысяч человек. Уильям Моррисон утверждал, что для электромобиля был усовершенствован аккумулятор, но подтверждений тому не было.
Дальнейшее развитие показало, что электромобили к 1900 году опережали своих конкурентов на пару и газу по всем параметрам. Примерно в это же время, молодой Фердинанд Порше(около 23 лет) работал в компании Lohner-Werke над гибридной полноприводной каретой (автомобилем), топливом для которой являлся газ и электричество. Автомобиль Lohner-Porsche был представлен на парижской выставке в декабре 1900 года. Этот автомобиль производился вплоть до 1905 года. В последствии автомобиль был признан слишком тяжелым, сложным и дорогостоящим для серийного производства. Масса авто превышала 4 тонны, а аккумуляторная батарея весила порядка 1800 кг.
Постепенно популярность электромобилей начала угасать из-за массовой добычи добычи нефти. В 1910 году на аккумуляторные батареи было израсходовано 70 000 тонн свинца. Они использовались как стационарные и переносные источники постоянного тока. Свинцовые аккумуляторы начали повсеместно применятся в автомобилях с момента изобретения электрического автомобильного стартера в 1912 году. В то время в автомобилях использовалась 6-ти вольтовая система и это можно считать ключевым моментом в истории распространения автомобильных аккумуляторных батарей. Аккумуляторные батареи стали использоваться на большинстве видах автомобильного транспорта. В тоже самое время, существующие версии аккумуляторных батарей полностью удовлетворяли потребности электротехники того времени и это стало причиной остановки в развитии на последующие 50 лет. Только в конце 1950-х годов, при появлении более мощных двигателей с большей степенью сжатия, дело тронулось с места. Приблизительно в это время произошел переход от 6 к 12 вольтажной системе, которая используется в автомобилях и по сей день.
С развитием автомобильных двигателей внутреннего сгорания появлялась только необходимость в увеличении вольтажа аккумуляторных батарей. Например, в 1990-х годах была предложена к стандартизации система электропитания в 42В. Ситуация меняется вновь, когда из-за роста цен на нефть и предпосылки ее исчерпания, в 2006 году возобновляется разработка электромобилей, основной проблемой которых является именно автомобильный аккумулятор.
Задачи автомобильных аккумуляторов
Современная аккумуляторная батарея в автомобиле выполняет следующие задачи:
- Подает напряжение на необходимые электрические узлы перед запуском авто;
- Обеспечивает питанием автомобильный стартер;
- Сглаживает напряжение генератора;
- Обеспечивает питанием системы при неработающем двигателе.
Разберемся по пунктам:
Подает напряжение на необходимые электрические узлы перед запуском авто. После поворота замка зажигания в первое(предстартовое) положение аккумуляторная батарея начинает питать такие системы как свечи накала, катушки зажигания, топливный насос, блоки управления и др.
Обеспечивает питанием автомобильный стартер. Многие могут заметить, что автомобильный стартер так же является электрическим узлом автомобиля и будут правы. Этот пункт выделен в отдельный, так как питание стартера аккумулятором автомобиля происходит именно во время запуска двигателя. При этом расходуется значительная часть заряда из-за кратковременной подачи больших токов. Стартовый ток может варьироваться от нескольких сотен до 1000 ампер, который подается на стартер от 2 до 10 секунд.
Сглаживает напряжение генератора. Эта функция АКБ является очень важной для современных автомобилей. Сейчас автомобили оборудованы огромным количеством электрических устройств. Если не брать в учет премиальные функции, то каждый авто оборудован акустическими системами, внешними и внутренними световыми системами. При вождении автотранспорта изменяется скорость вращения коленчатого вала двигателя, который напрямую влияет на частоту вращения генератора. Она может доходить чуть ли не до 10000 оборотов в минуту. Даже при обычной работе двигателя могут возникать скачки напряжения, удар которых принимает на себя АКБ. Из-за таких скачков напряжения возможно, и очень вероятно, повреждение электрических систем и устройств автомобиля. Скачки напряжения возможны даже при наличии аккумуляторной батареи. В связи с этим на большинстве электрических устройств автомобиля предусмотрено дополнительное средство защиты — предохранители.
Обеспечивает питанием системы при неработающем двигателе. Эта задача АКБ является так же немаловажной на сегодняшний день, так как при неработающем двигателе автомобиль все равно нуждается в питании таких элементов как аварийное освещение, центральный замок, автомобильная сигнализация и др.
Подведя итог этого параграфа можно установить, что автомобильный аккумулятор выполняет задачи без которого немыслим тот комфорт к которому мы уже привыкли, да и работа автомобиля в целом.
Описание и характеристики типичной автомобильной аккумуляторной батареи
Типичная автомобильная аккумуляторная батарея представляет собой устройство с так называемыми мокрыми ячейками(гальваническими элементами). Автомобили различаются мощностью двигателя и соответственно «вольтажностью» их аккумулятора. К примеру, легковые авто и грузовые с малой тоннажностью имеют 12-ти вольтовую систему питания и аккумулятор. Для грузовиков с ДВС большой мощности требуется 24-ех вольтовая система питания и такой же аккумулятор, а для некоторых моделей мотоциклов(малолитражных) используется 6-ти вольтовые аккумуляторы. Аккумуляторная батарея легкового автомобиля имеет 6 гальванических элементов(мокрых ячеек) соединенных в последовательной цепи и образует 12-ти вольтовый АКБ. Каждый гальванический элемент(ячейка) при полном заряде выдает напряжение 2.1 вольт.
Создание аккумулятора нужной вольтажности заключается в последовательном соединении таких ячеек. К примеру, для аккумулятора маломощного мотоцикла (6 вольт) потребуется 3 гальванических элемента, а для мощного грузовика (24 вольта) потребуется уже 12 таких ячеек. Свинцово-кислотные аккумуляторы считаются полностью разраженными, когда напряжение автомобильного аккумулятора становится меньше либо равно напряжению 10.8 В. При таком положении дел одна ячейка выдает напряжение 1.8В вместо необходимых 2.1В. Допускать такую разряженность автомобильного аккумулятора категорически запрещается, так как это может сократить срок его службы в три и более раз. Даже одна такая разрядка может лишить его способности стабильно работать.
Следующей характеристикой автомобильного аккумулятора является его емкость. Она является очень важной характеристикой аккумулятора и, обычно, отметка изображена в виде надписи типа n A*h, где n является числом отображающим емкость. Пример: 74 A*h. Емкость аккумулятора показывает, сколько времени аккумулятор сможет питать подключенные к нему электроприборы. Нюансом этого понятия является то, что эта характеристика, промаркированная на любом автомобильном аккумуляторе, является максимальной. Причем эту емкость сможет продемонстрировать совершенно новый полностью заряженный аккумулятор только при определенных условиях. Еще одним моментом является то, что емкость аккумулятора является понятием относительным. Реальная емкость зависит от многих параметров. Например при температуре от 20 до 40 градусов по Цельсию емкость может возрасти на 5%, а при падении до 0 градусов емкость проседает почти на 15%. При температуре -20 градусов по Цельсию емкость автомобильного аккумулятора может уменьшится до 35%. Это понятие напрямую зависит от плотности и концентрации электролита в гальванических элементах. Так же стоит заметить, что в ходе эксплуатации автомобильного аккумулятора имеет место эффект старения активной массы пластин и из-за этого реальная емкость аккумулятора со временем уменьшается.
Еще одним чрезвычайно важным параметром АКБ является его пусковой ток. Этот параметр определяет пусковые свойства аккумуляторной батареи. Обычно он обозначается на батарее в виде n A(EN), где n является количественным показателем пускового тока. Пример: 720 A(EN). Чем этот параметр ( n ) выше, тем лучше будет запускаться автомобиль. Тут есть несколько нюансов. Если значение пускового тока будет слишком высокое, тогда эксплуатация будет сопровождаться повышенным износом щеточного механизма стартера. В тоже самое время, если значение пускового тока будет слишком низким, то автомобильный двигатель просто не запустится. Есть еще один немаловажный нюанс, который необходимо учитывать. Для расчета пускового тока в разных странах мира могут использоваться разные стандарты, поэтому на самом аккумуляторе может быть указано несколько значений с определенными пометками. Примерами таких пометок могут быть CCA, CA, MCA, HCA. Разница этих пометок заключается в температуре при которой они отдают соответствующее значение тока.
| Пометка | Температура |
|---|---|
| CAA | 0 ° F (-18 ° C) |
| CA | 32° F (0° C) |
| MCA | 32 ° F (0 ° C) |
| HCA | 80 ° F (27 ° C) |
Можно обратить внимание что в таблице у пометок CA и MCA указаны одинаковые температуры, но буква M означает, что испытания проходили в морских условиях. Плюс ко всему нужно отметить, что пусковая способность аккумулятора при одинаковом пусковом токе и разных пометках будет разная. Все зависит от климатических условий в которых эксплуатируется автомобиль.
