Hogyan működik és hogyan épül fel egy autó akkumulátor?

admin

Az akkumulátor hagyományos funkciója a motortérben jól ismert: Az akkumulátor nélkül a jármű nem indítható. Az indítómotoron kívül a gyújtógyertyák, az izzítógyertyák, a világítás és az elektronikus alkalmazások mind elektromos energiát igényelnek. De hogyan épül fel egy akkumulátor, és hogyan működik?

Ólomsavas akkumulátorok: Alkatrészek és felépítés

Az autó akkumulátorok nagy súlyával sok autós akkor ismerkedik meg, amikor újat vásárol. A súlyok körülbelül 10,5 kg-tól, akár 30 kg-ig terjedhetnek. Ennek oka az akkumulátorcellákban található ólomlemezek.

Az akkumulátorcella összetevői és felépítése

Pozitív elektróda:

  • Pozitív lemez: Az ólom-sav akkumulátorban a pozitív töltésű lemez (aktív anyag) ólom-oxidból (PbO2) áll, amely elektrolitba van merítve.
  • Pozitív rács: A pozitív rács ólomötvözetből áll, és az aktív anyag tartására és áramgyűjtőként szolgál.

Negatív elektróda:

  • Negatív lemez: A negatív töltésű lemez (aktív anyag) tiszta ólomból (Pb) áll, amely szintén elektrolitba van merítve.
  • Negatív lemez: A pozitív lemezhez hasonlóan ez is ólomötvözetből áll, és ugyanazt a célt szolgálja.

A különböző töltésű elektródákat egy elválasztó zsák választja el egymástól.

Az elektrolit kénsav (H2SO4) és desztillált víz keveréke. Ez az elektrolit lehet folyékony formában (mint a hagyományos nedves akkumulátorokban vagy a továbbfejlesztett EFB-technológiában), gél alakban vagy üvegszőnyegbe kötve (mint az újabb start-stop alkalmazásokban alkalmazott AGM-technológiában).

Egy pozitív lemezkészletet több pozitív elektróda, egy negatív lemezkészletet pedig több negatív elektróda alkot. A negatív és pozitív lemezkészlet együttesen egy lemezblokkot alkot. A lemezblokk egy akkumulátorcella.

A hagyományos indítóakkumulátor 6 sorba kapcsolt cellából áll, amelyek mindegyike 2 V névleges feszültségű, ami pontosan 12,72 V feszültséget eredményez, amikor az akkumulátor teljesen fel van töltve. Az akkumulátor kapacitása és hidegindítási képessége a cellánkénti lemezek számából adódik.

Ökölszabály: Minél több lemezt tartalmaz egy cella, és ezért nagyobb felületet alkot, annál nagyobb a hidegindítási teljesítmény (CCA), amelyet az akkumulátor képes leadni. Ha azonban a cellában lévő helyet kevesebb, de vastagabb lemezek foglalják el, akkor a ciklusstabilitás megnő. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátort nagyobb töltési áteresztőképességre (folyamatos töltési és kisütési folyamat) tervezték.

A cellákat egy burkolat tartalmazza, amely saválló műanyagból (polipropilén) készül. A hagyományos SLI-akkumulátorban ez egy labirintusrendszerrel ellátott fedéllel van lezárva, amely megakadályozza az akkumulátor folyadékának kiszivárgását, és elválasztja a folyadékot a gáztól.

A korai akkumulátorok csavaros dugókkal rendelkeztek, amelyek lehetővé tették, hogy desztillált vízzel töltsük fel őket. A modern akkumulátorok teljesen karbantartásmentesek. Vizet nem kell és nem is szabad utántölteni. Bár az AGM akkumulátorok még mindig rendelkeznek “egyirányú dugókkal”, ezeket semmilyen körülmények között nem szabad kinyitni.

Autóakkumulátorok működése: A kémiai energia elektromos energiává alakul

A gépkocsi akkumulátor kémiai formában tárolja az energiát, és elektromos energiává alakítja át. Ebben az elektrokémiai folyamatban négy anyag reagál egymással:

  • Hidrogén (H)
  • Az oxigén (O2)
  • Az ólom (Pb)
  • A kén (S)

A külső fogyasztó csatlakoztatása elindítja a kémiai reakciót az akkumulátorban:

  • Az elektrolit, kénsav (H2SO4) és desztillált víz keveréke pozitív töltésű hidrogénionokra (H+) és negatív töltésű szulfátionokra (SO42-) bomlik.
  • Ezzel egyidejűleg elektronok (2e-) haladnak a negatív elektródból a pozitív elektródba a külső fogyasztón keresztül.
  • Az elektronok ezen áramlásának ellensúlyozására szulfátionok haladnak az elektrolitból a negatív elektródba, ahol reakcióba lépnek az ólommal (Pb), és ólomszulfát (PbSO4) keletkezik.
  • A pozitív elektródban is keletkezik ólomszulfát: Az ólom-oxidban (PbO2) lévő oxigén (O2) kötése az elektronok átadásával megszakad, és az oxigén az elektrolitba kerül. A maradék ólom (Pb) az elektrolitból származó szulfáttal (SO4) kötődik.
  • Az oxigén ott a hidrogénnel kötődik, és víz (H2O) keletkezik. Ahogy a kénsav elfogy az ólomszulfát képződésével, az elektrolitoldat koncentrációja csökken. Amikor a kénsav koncentrációja egy bizonyos szint alá csökken, az akkumulátort újra kell tölteni.
  • A töltés során a kémiai folyamatok fordított sorrendben zajlanak. A végén az eredeti elemek megtalálhatók: A pozitív elektród ólomszulfátból (PbSO4), a negatív elektród tiszta ólomból (Pb), az elektrolit pedig híg kénsavból (H2SO4) áll. Mivel ez az átalakítási folyamat veszteségekkel jár, az akkumulátor csak korlátozott számú töltési ciklust bír ki. Hasznos élettartama ezért korlátozott.

Problémák az ólom-sav akkumulátorokkal: Szulfátosodás és savrétegződés

Ha az akkumulátort túl alacsony feszültséggel töltik, vagy ha mindig túl alacsony (80% alatti) feszültséggel működik, savrétegződés, más néven rétegződés lép fel. Az elektrolitban lévő sav a rossz keveredés miatt rétegződik. A különböző sűrűségek a kénsav rétegződését okozzák az akkumulátor alján és a vízét a felső területen. Emiatt az elektrolitnak csak a középső része, azaz csak egyharmada használható a kisütés és töltés során.

A savrétegződés lehetséges oka elsősorban a rövid utazások, nagyszámú elektromos fogyasztó egyidejű használatával. Ilyenkor a generátornak nincs elég ideje az akkumulátor feltöltésére.

A savas rétegződés következménye a szulfátosodás. Ha ez bekövetkezik az akkumulátorban, vagy ha nem töltik folyamatosan megfelelő szintre, az ólomszulfát (PbSO4) kikristályosodik az elektródákon, és idővel nagyobb kristályszerkezeteket alkot. Ezt a folyamatot “szulfatációnak” nevezik. A kristályosodás megakadályozza az ólomszulfátnak az ólom vagy ólom-oxid eredeti összetevőivé történő visszaalakítását, ami a töltéselfogadás megakadályozását és a hidegindítási teljesítmény csökkenését eredményezi.

A kristályok a szeparátorokat is károsíthatják, vagy rövidzárlatot okozhatnak a cellákban.

Az akkumulátorok korai meghibásodásának megelőzése érdekében az akkumulátorokat soha nem szabad hosszú ideig alacsony töltési szintnek kitenni. Ennek érdekében célszerű rendszeresen tesztelni az akkumulátort, és szükség esetén teljesen feltölteni.

Szeretne többet megtudni erről a témáról? Hogyan kell megfelelően tölteni az akkumulátort.

Új akkumulátor-technológiák: AGM és lítiumion

Mostanáig a hagyományos ólom-sav akkumulátorok nagy piaci részesedéssel rendelkeztek. A piac azonban gyorsan változik: A start-stop járművek számára kifejlesztett innovatív akkumulátor-technológiák, mint például az AGM, szőnyegbe kötött savat használnak, amely nagyobb ciklusstabilitást biztosít, és megbízható teljesítményt garantál a megnövekedett energiaigényű járművekben. Az AGM további előnye, hogy a megkötött sav miatt a savrétegződés már nem lehetséges.
A mikro-hibrid járművekhez készült autóakkumulátorok új generációja 48 V feszültségen működik, és lítium-ion technológiájú cellákat használ.