Как ни крути, но рано или поздно каждый автолюбитель сталкивается с необходимостью приобретения новой аккумуляторной батареи. Тут возникает вопрос, какой «аккумулятор» покупать, как и где это сделать. Многие автомобилисты идут по пути наименьшего сопротивления и приобретают «то же, что было раньше», кто-то обращается за консультацией к гаражным знатокам, сотрудникам станций технического обслуживания или непосредственно к продавцам.
Мы надеемся, что этот материал поможет потребителю определиться с выбором и сэкономить при этом время. В статье приведены некоторые исторические факты, два раздела под общим названием «Терминология», а также будут рассмотрены основные типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и даны их основные технические характеристики.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Уважаемый читатель наверняка знает или догадывается, что аккумулятор и аккумуляторная батарея – понятия, лежащие в одной области, но обозначающие, по сути, не одно и то же устройство. И все-таки вспомним.
Аккумулятор – отдельный электрохимический элемент, помещенный в собственный корпус, он может использоваться индивидуально или входить в состав аккумуляторной батареи. К аккумуляторам, не имеющим собственного корпуса и устанавливаемым непосредственно в корпус батареи, применяют термин «элемент батареи».
Аккумуляторная батарея (АКБ) – соединенные определенным образом аккумуляторы или элементы. Кстати, она может состоять и только из одного аккумулятора, но при условии, что он будет заключен в дополнительный корпус (собственно корпус батареи).
ТЫ ПОМНИШЬ, КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?
Множество открытий в области исследований и применения электрической энергии было совершено на заре эпохи НТП. Однако использовать химические источники электрического тока люди начали еще до нашей эры. Это подтвердили результаты археологических раскопок на территории Индии и Китая, хотя назначение первых «батарей» до сих пор остается загадкой.
Но вернемся к более поздним временам...
«Первооткрывателями» стали английские и итальянские ученые. Сначала физик Гилберт в 1600 году ввел новый раздел науки – электрохимия, в том же направлении работал и Гальвани, но на протяжении без малого двух веков дальше статического электричества исследования в данной области не продвинулись.
Лишь в 1798 году итальянский ученый Вольта изобрел первый химический источник тока. Спустя четыре года появилась батарея Круиншэнка, спроектированная с расчетом на серийное производство.
В 1854 году немецкий врач Вильгельм Зинстеден провел несколько интересных опытов. Поместив свинцовые электроды в электролит и пропуская по ним ток, он обнаружил, что положительный электрод покрывается двуокисью свинца, в то время как отрицательный остается чистым. Но это еще не все. Если прекратить «подпитку» от внешнего источника и замкнуть такой элемент накоротко, то в нем начинал протекать постоянный ток, и продолжалось это до тех пор, пока вся двуокись свинца, образовавшаяся на положительном электроде, не растворялась в кислоте. К сожалению, Зинстеден не сделал никаких выводов из проделанной работы, и лавры изобретателя первой свинцовой батареи достались Гастону Планте.
В конце 50-х годов XIX века этот французский инженер провел аналогичные исследования и построил первый в истории свинцовый аккумулятор. Несмотря на внушительные размеры (общая площадь электродов составляла 10 м2), этот «монстр» имел маленькую емкость и довольно быстро разряжался, поэтому и самому Планте, и его последователям было над чем поработать.
Аккумуляторные батареи формировались (и по сей день формируются) из нескольких элементов, напряжение каждого составляло 2,2 В. Соединяя их последовательно, можно получить шести -, двенадцати- или двадцатичетырехвольтовую аккумуляторную батарею.
До середины прошлого века легковые автомобили оснащались 6-вольтовым электрооборудованием, затем автопроизводители в массовом порядке перешли на 12- (14-) вольтовую систему, а в будущем планируется оснастить легковушки системой, рассчитанной на 42 В или комбинированной 14/42 В. Это обусловлено появлением на борту автомобиля мощных потребителей энергии, желанием конструкторов заменить некоторые механические узлы электрическими и перейти на более тонкую проводку.
Кстати, японцы опять «впереди планеты всей», конкретно Toyota Motor Corp. уже оснащает такими системами некоторые Crown, предназначенные для внутреннего рынка.
СВИНЦОВЫЕ НАЧИНАЮТ И ВЫИГРЫВАЮТ
На данный момент существует несколько основных типов батарей: никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), свинцово-кислотные (SLA, VRLA, SLI), литий-ионные (Li-Ion), литий-полимерные, алкалиновые (щелочные), всевозможные суперконденсаторы (ионисторы). Так почему же батареи, применяемые на автотранспорте, сплошь свинцово-кислотные? Ответ кроется в свойствах данных батарей, режиме и условиях, в которых им приходится работать.
Условия эти далеки от идеальных: высокие токи разряда (при стартерном пуске), большой диапазон рабочих температур (от –25°С до +70°С), повышенная вибрация, работа в смешанном режиме (одном из сложнейших) и т.д. Да что говорить, одних только основных требований, предъявляемых к автомобильным аккумуляторным батареям, почти полтора десятка! И всем им надо соответствовать, а еще лучше превосходить «стандартные» показатели.
Теперь немного о преимуществах свинцово-кислотных батарей перед другими химическими источниками тока:
• малый саморазряд (самый низкий по сравнению с элементами других типов);
• безболезненно переносят высокие токи разряда;
• низкое внутреннее сопротивление;
• не требуют сложного обслуживания, отсутствует «эффект памяти»;
• низкие затраты на производство, стоимость 1 Вт*ч энергии обходится дешевле, чем стоимость такого же количества энергии батарей других типов.
Конечно, у свинцово-кислотных есть и недостатки: снижение емкости при минусовых температурах, вредное влияние электролита и свинца на окружающую среду, ограниченное количество циклов полного разряда, низкая энергетическая плотность, да и хранить такие батареи можно только в заряженном состоянии.
Но с подобными проблемами можно мириться и еще лучше — решать их, ведь, согласитесь, нет ничего идеального!
ЭТИ ЗАГАДОЧНЫЕ БУКВЫ...
Свинцово-кислотные батареи можно разделить на два вида:
• батареи с жидким электролитом (обслуживаемые и необслуживаемые, разработке последних производители уделяют особое внимание);
• батареи с регулируемыми клапанами – VRLA (с гелевым электролитом и увлажненными сепараторами).
Те, что расположились сверху, известны уже давно и относятся к оборудованию первого поколения. Здесь существует разделение на батареи открытого и закрытого типа.
Открытые не имеют крышек, и электролит в них непосредственно соприкасается с атмосферным воздухом. Они работают в стационарном режиме и требуют постоянного обслуживания, то есть долива дистиллированной воды.
Закрытые обслуживаемые оснащаются специальными вывинчивающимися пробками, задерживающими испарения серной кислоты, и тоже требуют «пополнения запаса» дистиллированной воды.
Закрытые необслуживаемые обладают пробками, конструкция которых позволяет предотвратить потерю воды в процессе эксплуатации.
Следующим шагом были батареи, изготовленные по технологии VRLA, в которых жидкий электролит заменили гелеобразным, это второе поколение.
Но обо всем по порядку.
Батареи VRLA (Valve Regulated Lead Acid) содержат в своей конструкции полезное устройство – клапан сброса внутрикорпусного давления. Он автоматически открывается при повышении давления внутри корпуса аккумулятора до 100—200 мБар. Причины, по которым происходит повышение давления, и к каким последствиям это может привести, читайте в разделе «Кабинет химии». У таких батарей есть еще одно название – герметичные свинцово-кислотные, или SLA (Sealed Lead Acid). Однако корректнее называть их герметизированными, так как клапан все же иногда открывается. Преимущества данных батарей – малый саморазряд и повышенная устойчивость к глубоким разрядам.
История совершенствования свинцово-кислотных аккумуляторных батарей обширна, и все технологические изыски подробно осветить в одной статье невозможно, да и цели мы преследуем несколько другие. Но на некоторых особо интересных моментах стоит остановиться.
Начнем с конца 50-х, а точнее с технологии GEL (Gelled Electrolite). Особенностью данных батарей является гелеобразный электролит. «Желеобразного» состояния добиваются путем добавления в жидкий раствор серной кислоты загустителя, двуокиси кремния (SiO2) или иного реагента. Это позволяет сделать их полностью необслуживаемыми, так как молекулы водорода и кислорода рекомбинируют (соединяются) в порах и раковинах, образующихся в массе геля, а в результате такого процесса получается известная всем H2O. «Гелевые» аккумуляторы чувствительны к низким и высоким температурам окружающей среды, а также требуют стабильного напряжения заряда.
Далее идут 70-е с технологией AGM (Absorptive Glass Mat). Батареи данного типа относятся к третьему поколению. Здесь используется пропитанный жидким электролитом пористый наполнитель из стекловолокна. Причем поры этого материала заполнены электролитом не полностью, а «незадействованный» объем используется для рекомбинации газов. Батареи, изготовленные по технологии AGM, имеют некоторые преимущества по сравнению с «гелевыми», они не так чувствительны к колебаниям температуры, да и газообразованию подвержены в меньшей степени. Это обусловлено усовершенствованиями конструкции и некоторыми технологическими решениями.
Тут нам придется вернуться к тому, что свинцово-кислотные батареи — все же химический источник электроэнергии, а значит, реакции, закон Фарадея, теории сульфатации... Добро пожаловать в кабинет химии! Но для начала выясним, что же кроется за словосочетанием «химический источник тока», а для этого снова обратимся к разделу «Терминология».
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Химическим называется источник тока (ИТ), в котором за счет протекания пространственно-разделенных окислительно-восстановительных реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. Существует две группы подобных источников:
• первичные ИТ, или гальванические элементы;
• вторичные ИТ, или электрические аккумуляторы.
Нас интересуют последние, и на них мы остановимся поподробнее.
Вторичный ИТ является обратимым, то есть после разряда его работоспособность можно восстановить, подвергнув обратному процессу, – заряду. Другими словами, необходимо пропустить через него ток в противоположном направлении, в результате образовавшиеся при разряде вещества превратятся в первоначальные активные материалы.
Итак, разряд аккумулятора – превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую, а заряд – превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока.
КАБИНЕТ ХИМИИ
Нет-нет, мы не будем загружать читателя длинными формулами, а просто постараемся вспомнить, на чем основан эффект получения электрической энергии в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях.
В токообразующем процессе заряженной батареи принимают участие следующие активные вещества:
• двуокись свинца (PbO2) на положительном электроде;
• губчатый свинец (Pb) на отрицательном электроде;
• водный раствор серной кислоты (электролит) H2SO4.
При разряде АКБ активные массы положительной (PbO2) и отрицательной (Pb) пластин преобразуются в сернокислый свинец PbSO4. При этом расходуется H2SO4 (в большем количестве у положительных пластин) и образуется вода, что приводит к снижению плотности электролита.
Заряд АКБ приводит к восстановлению активных материалов. Сульфат свинца на положительной пластине преобразуется в двуокись свинца, а на отрицательной пластине в губчатый свинец. При этом повышается плотность электролита (из-за слияния свободных ионов водорода и сульфата). Установившееся значение плотности служит признаком окончания процесса заряда.
Теперь настало время поговорить о регулирующих клапанах.
Читатели, у которых хоть раз взрывалась аккумуляторная батарея (малоприятное и очень опасное событие!), поймут, зачем нужно это полезное устройство. Однако, может, те счастливчики, кого сия чаша миновала, интересуются причинами, по которым свинцово-кислотный аккумулятор в один прекрасный момент может стать оружием не массового, но все-таки поражения?
Все дело тут в «волшебных пузырьках», а точнее, в эффекте интенсивного газообразования при перезаряде батареи. Профессионалы называют это вторичным процессом или «электролитическим разложением воды на кислород и водород», автомобилисты выражаются проще — «аккумулятор закипел».
Оба газа скапливаются под крышками ячеек, постепенно повышая внутрикорпусное давление, причем их соотношение таково, что образующаяся смесь способна воспламениться (взорваться) даже от самой незначительной искры. При взрыве корпус батареи разрушается, а кислота (точнее электролит) разбрызгивается во всех направлениях. Чем это грозит, всем наверняка понятно. «Убойная сила» зависит от объема скопившейся под крышкой гремучей смеси.
Сейчас немного о причинах, по которым происходит интенсивное газообразование:
• повышенное зарядное напряжение генератора (из-за нарушения работы регулятора напряжения);
• низкий уровень электролита (это наиболее актуально для обслуживаемых моделей);
• повышенная температура в подкапотном пространстве или утепление (в холодное время года) батареи.
Регулирующие клапаны позволяют снижать давление газов в ячейках, причем клапан защищает не только от взрыва, но и от проникновения внутрь корпуса кислорода, губительно воздействующего на материал отрицательных пластин.
Искушенный автолюбитель может задать резонный вопрос: «А как же вентиляционные отверстия в крышках обслуживаемых и малообслуживемых батарей, они разве не способствуют удалению газов?» Все верно. Способствуют. Но только обслуживаемых батарей становится все меньше, их вытесняют более технологичные необслуживаемые. А в последних простыми отверстиями уже не обойтись, ведь испарение воды приведет к снижению уровня электролита и, значит, долива воды избежать не удастся.
Автоматический клапан отрывается на короткий промежуток времени только при определенном давлении, сбрасывает его и предотвращает разрушение. Конечно, с газообразованием в свинцово-кислотных батареях борются не столько установкой регулирующих клапанов, сколько применением новых конструкционных материалов, улучшающих характеристики, как токовые, так и эксплуатационные, но это уже тема отдельного раздела.
СВИНЕЦ, СУРЬМА, КАЛЬЦИЙ, СЕРЕБРО, ЧТО ЕЩЕ?
Казалось бы, название батареи говорит само за себя – свинцово-кислотная, однако кроме двух главных составляющих она зачастую содержит еще несколько компонентов, так или иначе улучшающих (а иногда ухудшающих) ее свойства.
В решетки электродов добавляют различные материалы, эффект от их применения мы и рассмотрим ниже.
При отливке решеток в свинец добавляют от 4 до 5 процентов сурьмы и 0,1—0,2% мышьяка. Сурьма улучшает текучесть сплава при литье, повышает твердость и коррозионную стойкость электродов, а также снижает их окисление при хранении аккумулятора. Включение в состав материала мышьяка тоже снижает вероятность возникновения коррозии.
Но применение добавок, в частности сурьмы, связано с некоторыми «побочными эффектами». Она способствует интенсивному газообразованию, повышенному расходу воды (при определенных факторах) и снижению ЭДС (электродвижущей силы) батареи в процессе эксплуатации.
Все эти недостатки стали причиной отказа от данной добавки при производстве необслуживаемых батарей или, по крайней мере, сведения содержания сурьмы в них к минимуму (до 2,5%), что позволило снизить газообразование, расход воды и увеличить срок службы аккумуляторов. Такие батареи получили название малосурьмянистые.
Затем появились аккумуляторы системы «кальций плюс», где кальций был включен в состав отрицательной пластины, в то время как положительная выполнялась с содержанием 1,5—1,8% сурьмы и 1,5% кадмия. Иногда эти батареи называют еще и гибридными.
Следующим шагом на пути улучшения характеристик стало применение токоотводов (как положительного, так и отрицательного) из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов (кальций 0,05—0,09%, олово 0,5—1%). Данное решение позволило уменьшить потери воды в 15 (!) раз, повысить напряжение начала газоотделения до 2,45 В и в несколько раз замедлить саморазряд. Но несколько глубоких разрядов приводили к тому, что у батареи снижалась емкость на 40—50% и терялись необходимые стартерные характеристики.
Данные аккумуляторы принято называть свинцово-кальциевыми.
Позже в материал свинцово-кальциевых решеток стали добавлять многокомпонентные добавки, в том числе и серебро, благодаря чему расход воды в процессе эксплуатации был сведен к минимуму, к тому же батареи перестали бояться глубоких разрядов и получили название «серебряные».
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАТАРЕЙ
Естественно, что при покупке любого товара следует получить о нем максимум полезной информации, так вот, приобретая АКБ, следует осведомиться о следующих параметрах:
• номинальная электрическая емкость, А*ч;
• номинальное напряжение, В;
• ток холодной прокрутки, А;
• полярность и масса;
• дата изготовления.
Номинальная электрическая емкость – емкость 20-часового разряда аккумуляторной батареи. Для ее определения батарею непрерывно разряжают током 0.05С20 (0,05 от величины номинальной емкости, указанной производителем) до определенного значения напряжения, для 12-вольтовых батарей – 10,5 В.
Данный параметр должен соответствовать значению, указанному в руководстве по эксплуатации и техническому обслуживанию автомобиля, то есть номинальной емкости, заявленной производителем машины.
Установка на автомобиль батареи с большей емкостью обычно ни к чему хорошему не приводит. Судите сами: системы электроснабжения и пуска двигателя должны быть сбалансированы, другими словами, генератор и стартер рассчитаны на определенную мощность. Установка АКБ повышенной емкости приводит к увеличению нагрузки на стартер, в то время как генератор, при значительном разряде батареи, зарядить ее полностью не сможет. Между тем современные батареи очень чувствительны к недозаряду и могут довольно быстро выйти из строя.
Номинальное напряжение батареи должно соответствовать напряжению бортовой электросети автомобиля.
Ток холодной прокрутки – параметр, от которого напрямую зависит пуск двигателя. Ток, потребляемый стартером, при минусовых температурах возрастает, а значит, возрастает и нагрузка на аккумулятор (в пусковом режиме напряжение на выводах АКБ падает и стартер медленнее проворачивает маховик двигателя). Поэтому чем больше у батареи значение тока холодной прокрутки, тем быстрее стартер будет «крутить» двигатель, тем легче будет осуществить его запуск.
Существует только одно «но». Есть несколько стандартов, по которым определяется ток холодной прокрутки: ГОСТ 959-2002 (Россия), DIN (Германия), SAE (США), EN (Евросоюз). С июля этого года российский ГОСТ по показателям тока холодной прокрутки аналогичен требованиям EN (ранее он соответствовал DIN). В свою очередь, европейский стандарт в данном случае аналогичен американскому, так что путаница с подстановкой коэффициента 1.7 (IEN=1.7IDIN) скоро совсем закончится.
Следует также уделить внимание полярности приобретаемой батареи. Полярность прямая – клемма «минус» справа, обратная — клемма «плюс» справа. В противном случае установить «неправильную» батарею на автомобиль, возможно, просто не удастся.
Дате изготовления следует уделять внимание по следующей причине. Срок хранения залитой батареи не более одного года, сухозаряженной — от 3 до 5 лет.
Поэтому, приобретая АКБ в магазине и сомневаясь в ее «истинном возрасте», попросите замерить плотность электролита в ячейках (должна быть не меньше 1,26—1,25 г/см3) или измерить напряжение на выводах (не менее 12,5 В). Нет, конечно, такую батарею можно будет зарядить, залить при необходимости электролит и т.д. Но наиболее приемлемый вариант, когда батарея продается в состоянии, пригодном для немедленного использования.
Как всегда, мы постараемся предоставить читателю наиболее полную информацию о рынке свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, с подробными техническими характеристиками каждой модели и проведенным нами потребительским анализом.
Комментарии