Jak funguje autobaterie a jak je konstruována?

admin

Tradiční funkce autobaterie v motorovém prostoru je dobře známá: Bez akumulátoru nelze vozidlo nastartovat. Kromě startovacího motoru potřebují elektrickou energii také zapalovací svíčky, žhavicí svíčky, světla a elektronické aplikace. Jak je však akumulátor konstruován a jak funguje?

Olověné akumulátory:

Mnoho řidičů si při koupi nové autobaterie uvědomí její velkou hmotnost. Hmotnost se pohybuje od cca 10,5 kg, a to až do 30 kg. Důvodem jsou olověné desky v bateriových článcích.

Součásti a struktura bateriového článku

Kladná elektroda:

  • Kladná deska: V olověném akumulátoru se kladně nabitá deska (aktivní materiál) skládá z oxidu olovnatého (PbO2), který je ponořen do elektrolytu.
  • Kladná mřížka: Kladná mřížka se skládá ze slitiny olova a slouží jako držák aktivního materiálu a jako sběrač proudu.

Záporná elektroda:

  • Záporná deska: Záporně nabitá deska (aktivní materiál) se skládá z čistého olova (Pb), které je rovněž ponořeno do elektrolytu.
  • Záporná deska: Stejně jako kladná deska se i tato skládá ze slitiny olova a slouží ke stejnému účelu.

Elektrody s různými náboji jsou odděleny oddělovacím sáčkem.

Elektrolyt je směs kyseliny sírové (H2SO4) a destilované vody. Tento elektrolyt může být v kapalné formě (jako u běžných mokrých baterií nebo u zdokonalené technologie EFB), ve formě gelu nebo vázaný ve skleněné podložce (jako u technologie AGM pro novější aplikace start-stop).

Několik kladných elektrod tvoří sadu kladných desek a několik záporných elektrod sadu záporných desek. Sada záporných a kladných desek tvoří dohromady blok desek. Blok desek je článek baterie.

Běžná startovací baterie se skládá ze 6 článků zapojených do série, z nichž každý má jmenovité napětí 2 V, což při plném nabití baterie vede k napětí přesně 12,72 V. Kapacita a schopnost studeného startu baterie vyplývá z počtu desek na článek.

Pravidlo: Čím více desek článek obsahuje, a tvoří tak větší plochu, tím větší je výkon při studeném startu (CCA), který může baterie poskytnout. Pokud je však prostor v článku využit pro menší počet, ale silnějších desek, zvyšuje se cyklická stabilita. To znamená, že baterie je navržena pro vyšší průchodnost nabíjení (nepřetržitý proces nabíjení a vybíjení).

Články jsou umístěny v pouzdře, které je vyrobeno z kyselinovzdorného plastu (polypropylenu). Ten je u běžných baterií SLI uzavřen krytem s labyrintovým systémem, který zabraňuje úniku kapaliny z baterie a odděluje kapalinu od plynu.

Předchozí baterie měly šroubovací zátky, které umožňovaly jejich doplňování destilovanou vodou. Moderní baterie jsou zcela bezúdržbové. Voda se nemusí a nesmí doplňovat. Akumulátory AGM sice stále mají „jednosměrné zátky“, ty se však v žádném případě nesmí otevírat.

Funkce autobaterie:

Autobaterie uchovává energii v chemické formě a přeměňuje ji na energii elektrickou. Při tomto elektrochemickém procesu spolu reagují čtyři materiály:

  • Vodík (H)
  • Kyslík (O2)
  • Olovo (Pb)
  • Síra (S)

Připojení externího spotřebiče spustí chemickou reakci v baterii:

  • Elektrolyt, směs kyseliny sírové (H2SO4) a destilované vody, se rozkládá na kladně nabité vodíkové ionty (H+) a záporně nabité síranové ionty (SO42-).
  • Zároveň elektrony (2e-) putují od záporné ke kladné elektrodě přes vnější spotřebič.
  • K vyrovnání tohoto toku elektronů putují síranové ionty z elektrolytu do záporné elektrody, kde reagují s olovem (Pb) za vzniku síranu olovnatého (PbSO4).
  • Síran olovnatý vzniká také v kladné elektrodě: Vazba kyslíku (O2) v oxidu olovnatém (PbO2) se přeruší přenosem elektronů a kyslík přejde do elektrolytu. Zbylé olovo (Pb) se váže se síranem (SO4) z elektrolytu.
  • Tam se kyslík váže s vodíkem za vzniku vody (H2O). Jak se kyselina sírová spotřebovává tvorbou síranu olovnatého, koncentrace roztoku elektrolytu se snižuje. Když koncentrace kyseliny sírové klesne pod určitou úroveň, musí se akumulátor znovu nabít.
  • Při nabíjení probíhají chemické procesy v opačném pořadí. Na konci lze nalézt původní prvky: Kladnou elektrodu tvoří síran olovnatý (PbSO4), zápornou elektrodu čisté olovo (Pb) a elektrolyt zředěná kyselina sírová (H2SO4). Protože je tento proces přeměny spojen se ztrátami, vydrží baterie pouze omezený počet nabíjecích cyklů. Její životnost je proto omezená.

Problémy s olověnými akumulátory: Sulfatace a vrstvení kyseliny

Pokud je akumulátor nabíjen příliš nízkým napětím nebo pokud je vždy provozován s příliš nízkým napětím (pod 80 %), dochází k vrstvení kyseliny, označovanému také jako stratifikace. Kyselina v elektrolytu se rozvrství v důsledku špatného promíchání. Různá hustota způsobuje vrstvení kyseliny sírové na dně a vody v horní části baterie. Z tohoto důvodu lze pro proces vybíjení a nabíjení použít pouze střední část elektrolytu, tj. pouze třetinu.

Možnou příčinou vrstvení kyseliny jsou především krátké cesty se současným používáním velkého počtu elektrických spotřebičů. V takovém případě nemá alternátor dostatek času na dobití akumulátoru.

Důsledkem vrstvení kyseliny je sulfatace. Pokud k ní v akumulátoru dojde nebo pokud není neustále nabíjen na dostatečnou úroveň, síran olovnatý (PbSO4) na elektrodách krystalizuje a postupem času vytváří větší krystalické struktury. Tento proces se nazývá „sulfatace“. Krystalizace zabraňuje opětovné přeměně síranu olovnatého na původní složky olova nebo oxidu olovnatého, což má za následek zabránění přijetí náboje a snížení výkonu při studeném startu.

Ostré krystaly mohou také poškodit separátory nebo způsobit zkraty v článcích.

Aby se tomuto efektu zabránilo a zabránilo se předčasnému selhání baterie, neměla by být baterie nikdy dlouhodobě vystavena nízké úrovni nabití. Za tímto účelem je vhodné baterii pravidelně testovat a v případě potřeby ji plně nabít.

Chcete se o tomto tématu dozvědět více? Jak správně nabíjet akumulátor.

Nové technologie akumulátorů:

Dosud měly velký podíl na trhu konvenční olověné akumulátory. 2. AGM a lithium-iontové

Dosud měly velký podíl na trhu konvenční olověné akumulátory. Trh se však rychle mění: Inovativní technologie baterií pro vozidla se systémem start-stop, jako je AGM, využívají kyselinu vázanou v rohoži, která zajišťuje větší stabilitu cyklu a zaručuje spolehlivý výkon ve vozidlech se zvýšenými energetickými nároky. Další výhoda AGM: Kvůli vázané kyselině již není možné vrstvení kyseliny.
Nová generace autobaterií pro mikrohybridní vozidla pracuje s napětím 48 V a používá články s lithium-iontovou technologií.