Как устроены и работают аккумуляторы

Механизм работы аккумулятора

Аккумуляторы — это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Схема сборки аккумулятора.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах — ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q3, чем отдаваемое при разряде. Отношение qp : q3 =ne  называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Схема устройства аккумулятора.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии Wp, чем полу­чает при заряде. Отношение Wp : W3= n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора.

Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах.

В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение Up. Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение Uз (на 25— 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Схема литиево-кислородного аккумулятора.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ02, на отрицательном электроде — губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные— серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H2S04 с с удельным весом 1,18—1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен.

В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты.

При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS4. По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ02.

Ион S04 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр.

По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Схема зарядки аккумулятора.

Внутреннее сопротивление rBн свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70— 80 %, а отдача — 0,85—0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Свинцовые аккумуляторы обладают рядом существенных не­достатков. Они тяжелы из-за большого веса свинца пластин, и их объем велик из-за значительного количества электролита, актив­но участвующего в процессе.

В них неизбежен саморазряд внут­ренними паразитными электрическими токами с потерей заряда порядка 1 % в сутки. Наконец, они весьма чувствительны к толчкам и сотрясениям.

Но их отдача и КПД значительно выше, чем у любых других аккумуляторов.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь — примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH.

При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

Схема устройства пластин свинцового аккумулятора.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd.

При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH)2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3.

На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

разряд

2Ni (ОН)3 + 2КОН + Cd  ??2Ni (ОН)2 + 2КОН + Cd (ОН)2.

заряд

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН)2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого.

Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок.

Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Схема железоникелевого аккумулятора.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали.

Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65).

Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза.

Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=DuZSNfTNDyg

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag20) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

разряд

AgsO + КОН + Zn ?? 2Ag + КОН + ZnO.

 заряд

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75— 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче.

Они удовлетворительно работают как при пониженной (—50° С), так и при повышенной ( + 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи.

Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=bW_5q7saSR8

Выше изложены только основные сведения по  аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.

Поделитесь полезной статьей:

Источник: https://fazaa.ru/uroki-elektrotexniki/princip-raboty-akkumulyatora.html

Акб — что это, устройство и принцип работы аккумулятора в автомобиле

Аккумулятор или сокращённо (АКБ), очень важная деталь в любом автомобиле. Нет ни одной машины с двигателем внутреннего сгорания, где бы его не было.

Он отвечает за всё электрооборудование машины и без него она просто мертва. Далее рассмотрим, что же это такое и из чего он состоит.

Что такое АКБ для автомобиля, предназначение

То, что аккумулятор отвечает за всё электрооборудование в машине, было указано выше, но тут не всё так просто и однозначно. Главная задача батареи обеспечить запуск силового агрегата.

Когда двигатель запущен вся бортовая сеть запитывается от генератора. В середине 20-го века и даже ближе к его концу были двигатели внутреннего сгорания без аккумуляторов, например, моторы мотоциклов. В них запуск осуществлялся за счёт мускульной силы, а дальше все системы работали уже от генератора.

Читайте также:  Требования к электроприводам лифтов

Однако в последнее время, с насыщением автомобилей различными электроприборами, мультимедийными центрами или климатическими системами, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка идёт от АКБ.

Но вернёмся к основному предназначению батареи. Как бы там не было главная задача по-прежнему остаётся это обеспечение электроэнергией стартера двигателя.

При запуске, особенно в холодное время года, батарея серьёзно разряжается. Однако генератор кроме питания электроэнергией бортовой сети машины ещё и обеспечивает зарядку батареи.

Поэтому если генератор вышел из строя, то АКБ очень быстро разряжается. Новой заряженной батареи хватает не более чем на 100 км пробега. Во всех остальных случаях машина с неисправным генератором пройдёт ещё меньше.

Из чего сделан и что внутри аккумулятора

Не смотря, на весь технический прогресс, до сих пор, в автомобилях, используются аккумуляторные батареи, изобретённые в середине 19-го века.

Изобретателем АКБ считается Гастон Планте, которые изобрёл его в 1860 году. Ну а современный вид батареи приобрели в 1878 году, после того как его усовершенствовал Камилл Фор.

С этого времени батареи принципиально не менялись, все изменения были только косметическими, касающиеся их внешнего вида и качества изготовления элементов конструкции.

Данные аккумуляторы называются свинцово-кислотными, и в названии заключается описание принципа действия этих устройств.

Рисунок 19 века, на котором показан один из первых аккумуляторов в разрезе.

Итак, аккумулятор состоит из следующих основных частей:

  • Корпуса;
  • Крышки;
  • Отрицательных электродов;
  • Положительных электродов;
  • Положительной клемы;
  • Отрицательной клемы;
  • Соединительных перемычек;
  • Заливных пробок;
  • Электролита

Далее рассмотрим каждый элемент конструкции.

Итак, корпус и крышка батареи состоит из нейтрального к кислоте пластика.

Отрицательные пластины, впрочем, как и положительные состоят из металлического свинца и выполнены в виде решётки.

В отрицательной пластине, промежутки свинцовой решётки заполнены металлическим свинцом, в виде спрессованного порошка. В положительной – спрессованным порошком диоксида свинца (PbO2).

В промежутке между пластинами располагаются сепараторы, которые представляют собой микропористые пластины, сделанные из эбонита или ревертекса. Оба материала можно считать неким вариантом резины, и делаются они из каучука.

Задача сепараторов заключается в том, чтобы разделять положительные и отрицательные электроды и препятствовать их короткому замыканию, которое может произойти в результате вибраций двигателя и всего автомобиля.

Обе клеммы сделаны из металлического свинца и через них происходит подсоединение батареи к бортовой сети машины.

Соединительные перемычки, так же выполнены из свинца и служат для объединения разных банок в единую батарею.

Для чего нужна заливная пробка, легко догадаться из названия этой детали. Она служит для заливки электролита в банки АКБ.

Ну и последняя в списке, но при этом одна из самых главных деталей аккумулятора является электролит. Он состоит из 30 % раствора серной кислоты (H2SO4) и дистиллированной воды.

Принцип работы АКБ

Принцип работы аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды.

При разрядке батареи на положительной пластине происходит окисление металлического свинца, при этом на отрицательной пластине восстанавливается уже диоксид свинца.

При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а на положительной пластине увеличивается количество металла.

Так же при разрядке АКБ уменьшается количество серной кислоты в электролите и увеличивается количество воды. При зарядке так же происходит обратный процесс.

Особенности конструкции современных АКБ

Не смотря на то что, принципиально, аккумуляторы, за более чем 150 лет, не изменились, современность внесла серьёзные изменения в технологию их изготовления и в материалы, из которых они делаются.

Рассмотрим их по отдельности:

Сегодня на наиболее качественных батареях небольшие изменения претерпел материал пластин. Теперь пластины делают не из чистого свинца, а из его сплава с серебром. При этом появилась возможность снизить массу батареи на треть, а срок её службы увеличить на 20 %.

Кроме этого, изменилась сама технология их изготовления. Если первые пластины производились путём их литья, то сегодня их делают из тонкого свинцового листа, путём штамповки. Такой метод дешевле и при этом пластины получаются прочнее и тоньше.

Одной из причин выхода АКБ из строя является короткое замыкание положительных и отрицательных пластин.

Замыкание происходит из-за того, что из пластин осыпается активная зона и внизу банок она замыкает. Во избежание этого сепараторы делают в виде конвертов, запаянных снизу, под пластинами. Таким образом, когда активная зона осыпается она остаётся внутри конверта и не замыкает.

В материал же самих сепараторов сегодня добавляется стекловолокно. Это так же позволяет делать их тоньше и прочнее.

Как было указано выше, электролит представляет собой раствор серной кислоты и воды. Под действием низких температур, как известно вода замерзает, однако с электролитом этого не происходит.

Но он всё равно заметно загустевает и теряет свои свойства, из-за чего ёмкость батареи заметно снижается. Что бы избежать этого, сегодня, в электролит добавляют разнообразные присадки.

Аккумуляторы с гелиевыми электролитами можно считать вершиной эволюции кислотных батарей и именно поэтому для них, отведен отдельный раздел. Такие АКБ называются попросту, гелевыми. В этих устройствах электролит модифицирован настолько, что представляет собой нечто наподобие желе.

Такая модификация, в комплексе с другими вышеописанными инновациями дала поистине волшебные результаты. Батареи стали практически вечными, невосприимчивыми к переворачиванию, практически не теряющими свои свойства зимой и при этом на много легче по массе.

Правда цена по сравнению с аккумуляторами старого поколения возросла от 5 до 10 раз. Но это того стоит. И всё равно стоят они не запредельные деньги, где-то в пределах 100 – 200 условных единиц.

Параметры и характеристики аккумуляторной батареи

Параметры и характеристики аккумуляторов зашифрованы в их маркировке и сейчас мы разберём, что она обозначает.

Этот вопрос мы рассмотрим на примере самой распространённой АКБ 6СТ-55.

Итак, в названии аккумулятора, цифра 6 обозначает, что АКБ состоит из 6-и банок.

  • СТ – обозначает что батарея стартерная.
  • 55 – обозначает ёмкость батареи, которая составляет 55 Ампер*час.

Для того что бы понимать какой аккумулятор вам нужен, необходимо знать два параметра:

  • Тип ДВС;
  • Объём двигателя вашей машины;

Далее рассмотрим для каких двигателей, какие аккумуляторы подходят. Это таблица для бензиновых моторов:

  • Двигатели объёмом до 1,6 литра. Для них подходят АКБ 6СТ-45;
  • Двигатели объёмом от 1,6 до 2,5 литров. Для них подходит 6СТ-55;
  • Двигатели объёмом от 2,5 до 3 литров. Для них подходит 6СТ-60;
  • Двигатели объёмом от 3 до 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-75;
  • Двигатели объёмом более 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-90.

Для дизельных силовых агрегатов эти параметры несколько иные:

  • Двигатели объёмом до 1,5 литра. Для них подходит 6СТ-55;
  • Двигатели объёмом от 1,5 до 2,0 литров. Для них подходит 6СТ-60;
  • Двигатели объёмом от 2-х до 2,7 литров. Для них подходит 6СТ-75;
  • Двигатели объёмом от 2,7 до 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-90;
  • Двигатели объёмом от 3,5 до 6,5 литров. Для них подходит 6СТ-132;
  • Двигатели объёмом более 6,5 литров. Для них подходит 6СТ-192 и больше.

Как можно увидеть, из-за разных принципов работы дизельных и бензиновых двигателей для них используются аккумуляторы разной ёмкости.

Для дизельных силовых агрегатов вам потребуются более ёмкие батареи.

Аккумуляторы будущего

Как уже упоминалось выше современные батареи по принципу действия точно такие же, как те, что были разработаны в середине 19-го века.

Однако технологии не стоят на месте и, судя по всему, в самое ближайшее время для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) появятся АКБ, созданные на новых принципах. Далее они будут бегло перечислены.

Об этих батареях достаточно подробно было рассказано выше. Эти батареи уже продаются, и их любой может купить.

Гелевая АКБ

  • Литий-ионные аккумуляторы

Эти батареи широко известны по мобильным телефонам и иным гаджетам. Однако, сегодня, существуют разработки и для автомобилей. Но, не смотря на все свои достоинства, в автотехнике данный вид АКБ не прижился из-за ряда принципиальных недостатков.

  • Во-первых, они резко теряют свою мощность из-за низкой температуры.
  • Во-вторых, для зарядки таких батарей требуется строгое соответствие зарядному току, что требует переделки электронной части генераторов.
  • Ну и самое главное, данные АКБ имеют стоимость в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Литий-ионная АКБ, чешской компании Варта

  • Графен-полимерные аккумуляторы

Это, пожалуй, самые перспективные батареи для использования, как в автомобилях, оснащённых ДВС, так и электрической силовой установкой. В производстве этих АКБ использованы нанотехнологии.

Эти аккумуляторы имеют поистине чудесные свойства. Они имеют ёмкость, практически в три раза больше литий-ионных и при этом на много меньшую стоимость, так как в их производстве не используется дорогостоящий литий. Кроме этого они не теряют своих свойств под действием низких температур.

Опытная графен-полимерная АКБ

Резюме: Выше перечислены только три самых раскрученных или правильней будет сказать, распиаренные технологии.

В мире ведутся работы над батареями, известно что в разработке более тридцати новых схем. Не исключено, что среди этих ещё испытывающихся аккумуляторов могут оказаться некоторые с ещё более интересными свойствами. Как говорится поживем — увидим.

Источник: http://autovogdenie.ru/avtomobilnyj-akkumulyator-chto-eto-ustrojstvo-i-princip-raboty-akb.html

Устройство аккумулятора: принцип работы разных видов АКБ

Важнейшим элементом электрооборудования автомобиля, а также мобильных телефонов, электроинструментов, некоторых часов и многих других бытовых приборов является аккумуляторная батарея.

Устройство аккумулятора и принцип работы похожи во всех этих предметах, хотя виды накопителей могут быть различными. Однако у разных приборов могут быть свои особенности.

В этой статье мы разберем принцип действия автомобильного аккумулятора и устройство литий-ионной аккумуляторной батареи (АКБ) для другой, менее крупной техники.

Назначение автомобильного аккумулятора

Что касается автомобиля, здесь АКБ играет решающую роль при запуске двигателя (питание стартера). К тому же от него работают все электроприборы (такие, как фары), когда мотор выключен, и генератор не работает. И даже когда работает, накопитель выступает «помощником» в случаях, если нагрузка слишком большая — например, в «пробке», когда энергии генератора не очень много.

Для авто применяются различные виды АКБ, среди них:

  • свинцово-кислотные — иногда называются просто кислотными, применяются чаще всего;
  • железо-никелевые — на втором месте по частоте использования;
  • никель-кадмиевые;
  • серебряно-цинковые — в современных моделях практически не применяются, так как быстро изнашиваются и при этом имеют высокую себестоимость.

Принцип работы кислотного аккумулятора основан на чистой серной кислоте, разбавленной дистиллированной водой для достижения необходимой плотности. Ею залиты пакеты из положительно и отрицательно заряженных свинцовых пластин.

Читайте также:  Универсальные устройства защиты двигателей

Пластины разделены диэлектрическим материалом. Каждая пара параллельно соединенных пластинок являет собой источник тока. Все пластины объединены в модули (банки). Как правило, модулей шесть, и они соединены между собой.

Оболочка батареи сделана из устойчивого к агрессивной среде материала.

Когда эта конструкция в действии, пластинки под влиянием серной кислоты выделяют сульфат свинца, и в результате образуется электрическая энергия. 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.

Устройство щелочного аккумулятора аналогично кислотному, но используются другие химические элементы, в том числе самого корпуса контейнера. Практически во всех российских машинах установлены щелочные аккумуляторы, так как они отличаются низкой стоимостью и высокой надежностью.

Таким образом, устройство аккумулятора автомобиля основано на следующих принципах:

  • переход электроэнергии в химическую (когда заряжается);
  • переход химической энергии в электрическую (когда он разряжается).

Определенные типы АКБ требуют регулярного обслуживания, то есть контроля уровня электролита. Чтобы обслужить такую батарею, нужно иметь навыки автомобильного мастера или обращаться в сервис.

Однако в последнее время появилось понятие необслуживаемого аккумулятора автомобиля. Это не означает, что его не нужно заряжать. Просто он не требует операций по проверке и доливке электролита.

Но помните, что у некоторых из них (типа Ca/Ca, где электроды сделаны из сплава свинца с кальцием) есть недостаток — при сильной разрядке они ощутимо теряют емкость, и несколько таких случаев приводят к непригодности необслуживаемого АКБ к дальнейшему использованию.

Разобрав устройство автомобильного аккумулятора, перейдем к работе Li-ion аккумулятора.

Li-ion батарея

Литий-ионная АКБ не применяется в автомобилестроении, если речь не идет об электромобилях, но получила широкое распространение в устройствах вроде мобильного телефона.

Устройство бытового литий-ионного аккумулятора, как и кислотного автомобильного, заключается в электродах, помещенных в герметичный корпус. В качестве электролита выступает гелеобразная субстанция с содержанием солей лития. Точный состав субстанции является коммерческой тайной каждого производителя.

Существуют различные по типу катодного материала виды таких АКБ — от литий-полимерного аккумулятора до литий-железо-фосфатного. Все они по цене, областям применения, положительным и отрицательным качествам схожи между собой.

Устройство литиевого, или Li-ion аккумулятора тоже основано на переходе химической энергии в электрическую и обратно. Для их заряда выпускаются специальные устройства, многие из которых оборудованы электронными и световыми индикаторами, оповещающими о полном заряде батареи. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы →

Где применяют Li-ion аккумуляторные батареи?

Технология Li-ion может использоваться в самых разных приборах, от аккумулятора ноутбука или сотового телефона до аккумулятора шуруповерта. Литиевым, как правило, является внешний аккумулятор для смартфона или другого электронного устройства.

Внешний аккумулятор в последнее время стал популярным, когда выяснилось, что встроенные накопители в бытовой электронике последних моделей не позволяют держать заряд длительное время.

Тогда получили распространение дополнительные приспособления, которые накапливают гораздо больший заряд и могут впоследствии работать вдали от розеток для подзарядки меньших по размеру, но слабых встроенных батарей.

Такое приспособление и называется внешний аккумулятор.

Он работает точно так же, как и все остальные АКБ: накапливает заряд, а потом отдает электроэнергию. Только она используется не напрямую для работы каких-либо устройств, а для зарядки других батарей. Иногда внешний аккумулятор приобретают не только для мобильников, но и для аккумулятора ноутбука, фотоаппарата или других устройств.

Внешний аккумулятор может иметь различные размеры, форму и емкость. От этих параметров, соответственно, зависит его цена.

Так что для каждого из множества смартфонов можно подобрать портативное зарядное устройство, соответствующее потребностям.

Если у вас несколько электронных приборов, которым может потребоваться зарядка «в полях», рекомендуется подбирать универсальный портативный зарядник: для аккумулятора ноутбука, телефона, плеера и всего остального.

Li-ion АКБ в электроинструментах

Напоследок скажем несколько слов об аккумуляторе шуруповерта, дрели и других инструментов. Ранее такие АКБ были чаще всего никель-кадмиевыми (Ni-Cd). Сейчас они устарели, но до сих пор распространены ввиду низкой стоимости. Основные недостатки — быстрый саморазряд и довольно ощутимая потеря емкости со временем.

Сейчас на смену им пришли два типа АКБ:

  • Никель-металл-гидридные (Ni-MH) — больше емкость, чем у Ni-Cd, меньше саморазряд, выше цена.
  • Литий-ионные — недостатков, выраженных у других типов, нет. Вместе с тем «не любят» полного разряда или перезаряда, в последнем случае могут взорваться. Стоят дороже других видов батарей.

Таким образом, в качестве аккумулятора шуруповерта рекомендуют выбирать никель-металл-гидридный, но при профессиональном (частом и длительном) применении лучше подойдет литий-ионный.

Источник: https://batteryk.com/ustrojstvo-akkumulyatora

Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Want create site? Find Free WordPress Themes and plugins.

Как известно, работа современных портативных устройств основана на использовании автономного источника питания, роль которого выполняет аккумуляторная батарея (АКБ).

Также такой источник энергии является обязательным узлом автомобильного транспорта, который помогает запустить машину при помощи стартера. Принцип работы аккумуляторной батареи достаточно прост.

Если соблюдать правила использования, то аккумулятор будет работать без перегруза и не уменьшать свою емкость в процессе использования.

Назначение и особенности аккумуляторной батареи

АКБ – это устройство, которое может накапливать энергию и питать электрические устройства, не вырабатывающие ток самостоятельно.
Аккумуляторная батарея состоит из:

  • пластмассового или эбонитового корпуса;
  • заливной горловины и съемной пробки;
  • сепаратора;
  • пластин с разным потенциалом (отрицательной и положительной);
  • межэлементного соединения;
  • выводов со знаком «+» и «-».

В случае автомобильного аккумулятора бывают обслуживаемые и необслуживаемые источники автономного питания.

Аккумуляторы с напряжением в 12 Вт состоят из 6 соединенных между собой банок, которые находятся в одном корпусе.

Если в автомобиле установлен необслуживаемый аккумулятор, то единственным способам подзарядки АКБ является подзарядка при помощи генератора во время работы двигателя.

В случае обслуживаемого аккумулятора в него можно подливать электролит (смесь дистиллированной воды и серной кислоты) для повышения его плотности или подзаряжать его при помощи зарядного устройства.

Данный процесс предусматривает образование двуокиси свинца путем химической реакции воды и сульфата свинца. При этом существенно увеличивается плотность электролита. Если двигатель работает, то заряд (накопление емкости) АКБ происходит с использованием генератора.

Специалисты рекомендуют осуществлять заряд аккумуляторной батареи при незначительном напряжении. Если осуществлять заряд АБ при высоком напряжении, то в результате можно получить огромное разложение воды, что снизит уровень электролита.

Неправильное использование аккумуляторной батареи приведет к уменьшению срока использования.
Аккумуляторная батарея эксплуатируется в среднем в течении 3-5 лет в зависимости от условий эксплуатации.

Если придерживаться оптимального режима работы такого устройства, то можно увеличить в несколько раз время его использования. Регулярно нужно следить, чтобы все баночки с жидкостью были заполнены до нужного уровня. Это позволит работать аккумулятору в обычном режиме, не перегружаясь и не разряжаясь.

Принцип работы аккумуляторной батареи автомобиля

В основе принципа работы АКБ лежит преобразование химической энергии в электрическую. Электроды взаимодействуют с электролитом, образуя в результате воду и сульфат свинца.

Необходимо отметить, что в случае такого взаимодействия постепенно уменьшается плотность электролита и, соответственно, мощность аккумулятора.

Стоит отметить, что температура воздуха влияет на режим работы устройства: ее увеличение влияет на некоторое увеличение мощности батареи. Однако вместе с такими изменениями может увеличиться коррозия электродов и саморазряд.

Если на улице минусовая температура воздуха, то можно прослеживать уменьшение разрядной емкости, уменьшение электролита и замедление химических процессов. Поэтому автомобилисты рекомендуют снимать АКБ во время длительной стоянки машины в условиях зимы.

Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Виды АКБ. В наше время можно приобрести различные аккумуляторные батареи, которые отличаются между собой двумя признаками:

  • принципом действия;
  • конструкцией.

По химическому составу активного вещества АКБ бывают следующих видов:

  • серебряно-цинковые;
  • никель-кадмиевые;
  • свинцово-кислотные;
  • щелочные железо-никелевые аккумуляторы.

Все эти виды АКБ имеют разную степень использования. Так, например, популярными можно считать накопительные устройства, которые имеют свинцово-кислотные наполнители (автомобильные варианты аккумулятора). Устройства, использующие химическое взаимодействие железа и никеля, используются реже.

Серебряно-цинковые аккумуляторы практически не используются. Это можно объяснить тем, что стоимость их довольно велика, а время использования незначительное. Различные аккумуляторы имеют разный принцип работы, время эксплуатации, емкость.
Важным параметром любой АКБ считается емкость.

От такого показателя зависит потребление и отдача энергии. На аккумуляторах, которые предназначены для автомобилей, можно увидеть маркировку, которая указывает на емкость устройства. Она может быть представлена таким образом: 55, 60, 75 Ам*ч.

Для телефонных батарей характерна такая емкость – 2000, 1500, 1000, 700 mAh (тысячные доли Ампера). Выбор аккумуляторной батареи необходимо осуществлять, исходя из потребляемого заряда или предполагаемой нагрузки устройства. При неправильном или длительном использовании АБК емкость может уменьшаться.

Очень часто это прослеживается при длительном использовании аккумуляторной батареи в легковом автомобиле или же при неполной зарядке батареи, если речь идет про мобильный телефон.

Щелочные аккумуляторы и их использование

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

  • никель + железо;
  • никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали. Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля. Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше.

Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля. Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер.

В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами.

Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую.

Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Этот вид накопительного источника энергии можно отнести к самому популярному и востребованному, так как они используются практически на всех автомобилях.

Он имеет несколько ячеек и электроды, которые представляют собой своеобразные свинцовые решетки с мелкой ячейкой.

Решетки обоих полярностей в своей основе имеют разное содержание: диоксид свинца содержится в решетках со знаком «+», в минусовых решетках содержится свинец. Такие накопительные устройства устойчивы к морозам и относительно недорогие.

Принцип работы малогабаритных батарей

В различных устройствах имеются аккумуляторные батареи, которые отдают заряд. С помощью такого заряда другие устройства могут работать длительное время без осуществления подзарядки. К числу таких устройств можно отнести мобильные устройства. У них аккумулятор имеет небольшие размеры. Однако их емкость может быть разной.

Читайте также:  Трансформаторное масло - назначение, применение, характеристики

Банки таких аккумуляторов составляют обычные мягкие пакеты из пластика, которые заполнены литием. Этот химический состав похож по консистенции на сметану. Чтобы выполнить контрольное измерение такой батареи, необходимо использовать специальный прибор, который называется контроллер.

Это небольших размеров электронная плата, которая подключается к зарядному устройству и определяет подачу заряда. У таких аккумуляторов нет клемм или контактов. Эту роль берет на себя коннектор, который состоит из многополюсного соединения. Принцип работы такого аккумулятора аналогичен обычным АКБ литий-ионного типа.

Однако, их стоимость и габариты значительно меньше.

Правильный подход к выбору аккумуляторной батареи позволит подзаряжать другие устройства, необходимые человеку. Предварительно перед приобретением такого устройства, можно ознакомиться с его параметрами и работоспособностью в Интернете.

Did you find apk for android? You can find new Free Android Games and apps.

Источник: http://gearavto.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-akkumulyatornoj-batarei/

Как работает аккумулятор: устройство, принцип действия, конструкции

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.

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:

  • 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.

Устройство и принцип работы

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

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:

  • 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:

  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.

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.

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).

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:

  • 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

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.

Источник: https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/akkumulyatory/akkumulyator-kak-rabotaet-i-principy-ego-ustroystva.html

Ссылка на основную публикацию