Jak działa i jak jest zbudowany akumulator samochodowy?

admin

Tradycyjna funkcja akumulatora w komorze silnika jest dobrze znana: Bez akumulatora nie można uruchomić pojazdu. Oprócz rozrusznika również świece zapłonowe, świece żarowe, światła i urządzenia elektroniczne wymagają energii elektrycznej. Ale jak zbudowany jest akumulator i jak działa?

Akumulatory kwasowo-ołowiowe: Komponenty i budowa

Wielu kierowców uświadamia sobie duży ciężar akumulatorów samochodowych przy zakupie nowego. Możliwe są ciężary od około 10,5 kg, aż do 30 kg. Powodem tego są ołowiane płyty w ogniwach akumulatora.

Składowe i budowa ogniwa akumulatora

Elektroda dodatnia:

  • Płyta dodatnia: W akumulatorze kwasowo-ołowiowym, dodatnio naładowana płyta (materiał aktywny) składa się z tlenku ołowiu (PbO2), który jest zanurzony w elektrolicie.
  • Siatka dodatnia: Dodatnia siatka składa się ze stopu ołowiu i jest używana do utrzymywania materiału aktywnego oraz jako kolektor prądu.

Elektroda ujemna:

  • Płytka ujemna: Ujemnie naładowana płytka (materiał aktywny) składa się z czystego ołowiu (Pb), który jest również zanurzony w elektrolicie.
  • Płytka ujemna: Podobnie jak płyta dodatnia, ta również składa się ze stopu ołowiu i służy do tego samego celu.

Elektrody o różnych ładunkach są oddzielone workiem separacyjnym.

Elektrolit jest mieszaniną kwasu siarkowego (H2SO4) i wody destylowanej. Elektrolit może być w postaci ciekłej (jak w konwencjonalnych akumulatorach mokrych lub w ulepszonej technologii EFB), w postaci żelu lub związany w macie szklanej (jak w technologii AGM dla nowszych zastosowań typu start-stop).

Kilka elektrod dodatnich tworzy zestaw płyt dodatnich, a kilka elektrod ujemnych tworzy zestaw płyt ujemnych. Razem, zestaw płyt ujemnych i dodatnich tworzy blok płyt. Blok płyt jest ogniwem akumulatora.

Konwencjonalny akumulator rozruchowy składa się z 6 ogniw połączonych szeregowo, każde o napięciu znamionowym 2 V, co daje napięcie dokładnie 12,72 V, gdy akumulator jest w pełni naładowany. Pojemność i zdolność zimnego startu akumulatora wynika z liczby płyt w ogniwie.

Zasada kciuka: Im więcej płyt zawiera ogniwo, a więc tworzą one większą powierzchnię, tym większa jest moc zimnego rozruchu (CCA), którą akumulator może dostarczyć. Jednakże, jeśli przestrzeń w ogniwie jest wykorzystana dla mniejszej ilości, ale grubszych płyt, zwiększa się stabilność cyklu. Oznacza to, że akumulator jest zaprojektowany dla wyższej wydajności ładowania (ciągły proces ładowania i rozładowania).

Ogniwa znajdują się w obudowie, która jest wykonana z kwasoodpornego tworzywa sztucznego (polipropylenu). W konwencjonalnym akumulatorze SLI jest on zamknięty pokrywą z systemem labiryntowym, który zapobiega wydostawaniu się płynu akumulatorowego i oddziela ciecz od gazu.

Wcześniejsze akumulatory posiadały korki gwintowane, które umożliwiały uzupełnianie wody destylowanej. Nowoczesne akumulatory są całkowicie bezobsługowe. Woda nie musi być i nie może być uzupełniana. Akumulatory AGM mają wprawdzie jeszcze „jednokierunkowe korki”, ale w żadnym wypadku nie wolno ich otwierać.

Funkcja akumulatora samochodowego: Energia chemiczna staje się energią elektryczną

Akumulator samochodowy magazynuje energię w formie chemicznej i przekształca ją w energię elektryczną. W tym procesie elektrochemicznym cztery materiały reagują ze sobą:

  • Wodór (H)
  • Tlen (O2)
  • Ołów (Pb)
  • Siarka (S)

Podłączenie zewnętrznego odbiornika rozpoczyna reakcję chemiczną w akumulatorze:

  • Elektrolit, mieszanina kwasu siarkowego (H2SO4) i wody destylowanej rozkłada się na dodatnio naładowane jony wodorowe (H+) i ujemnie naładowane jony siarczanowe (SO42-).
  • W tym samym czasie, elektrony (2e-) przemieszczają się z elektrody ujemnej do dodatniej przez zewnętrznego konsumenta.
  • Aby skompensować ten przepływ elektronów, jony siarczanowe przemieszczają się z elektrolitu do elektrody ujemnej, gdzie reagują z ołowiem (Pb) tworząc siarczan ołowiu (PbSO4).
  • Siarczan ołowiu jest również produkowany w elektrodzie dodatniej: Wiązanie tlenu (O2) w tlenku ołowiu (PbO2) zostaje przerwane przez przeniesienie elektronów i tlen przechodzi do elektrolitu. Pozostały ołów (Pb) łączy się z siarczanem (SO4) z elektrolitu.
  • Tam, tlen łączy się z wodorem tworząc wodę (H2O). Ponieważ kwas siarkowy jest zużywany przez tworzenie się siarczanu ołowiu, stężenie roztworu elektrolitu zmniejsza się. Kiedy stężenie kwasu siarkowego spadnie poniżej pewnego poziomu, akumulator musi zostać ponownie naładowany.
  • Podczas ładowania procesy chemiczne zachodzą w odwrotnej kolejności. Na końcu można znaleźć oryginalne elementy: Elektroda dodatnia składa się z siarczanu ołowiu (PbSO4), elektroda ujemna składa się z czystego ołowiu (Pb), a elektrolit składa się z rozcieńczonego kwasu siarkowego (H2SO4). Ponieważ ten proces konwersji wiąże się ze stratami, akumulator może wytrzymać tylko ograniczoną liczbę cykli ładowania. Jego żywotność jest więc ograniczona.

Problemy z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi: Siarczanowanie i nawarstwianie się kwasu

Jeśli akumulator jest ładowany zbyt niskim napięciem lub jeśli zawsze pracuje przy zbyt niskim napięciu (poniżej 80%), dochodzi do nawarstwiania się kwasu, zwanego również rozwarstwieniem. Kwas w elektrolicie rozwarstwia się z powodu złego mieszania. Różne gęstości powodują warstwowanie kwasu siarkowego na dole i wody w górnej części akumulatora. Z tego powodu tylko środkowa część elektrolitu, tj. tylko jedna trzecia, może być wykorzystywana w procesie rozładowania i ładowania.

Możliwą przyczyną tworzenia się warstw kwasu są przede wszystkim krótkie podróże z jednoczesnym użyciem dużej liczby odbiorników elektrycznych. W takim przypadku alternator nie ma wystarczająco dużo czasu, aby naładować akumulator.

Wynikiem odkładania się kwasu jest zasiarczenie. Jeśli występuje ono w akumulatorze lub jeśli nie jest on stale ładowany do odpowiedniego poziomu, siarczan ołowiu (PbSO4) krystalizuje się na elektrodach, tworząc z biegiem czasu większe struktury krystaliczne. Proces ten znany jest jako „sulfacja”. Krystalizacja uniemożliwia ponowne przekształcenie siarczanu ołowiu w pierwotne składniki ołowiu lub tlenku ołowiu, co skutkuje uniemożliwieniem przyjęcia ładunku i zmniejszeniem mocy zimnego rozruchu.

Ostre kryształy mogą również uszkodzić separatory lub spowodować zwarcia w ogniwach.

Aby przeciwdziałać temu efektowi i zapobiec przedwczesnemu uszkodzeniu akumulatora, nie należy nigdy narażać go na niski poziom naładowania przez dłuższy czas. W tym celu zaleca się regularne testowanie akumulatora i w razie potrzeby jego pełne naładowanie.

Chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat? Jak prawidłowo naładować akumulator.

Nowe technologie akumulatorów: AGM i litowo-jonowe

Do tej pory duży udział w rynku miały konwencjonalne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Jednak rynek ten szybko się zmienia: Innowacyjne technologie akumulatorów dla pojazdów z systemem start-stop, takie jak AGM, wykorzystują kwas związany w matę, co zapewnia większą stabilność cyklu i gwarantuje niezawodne działanie w pojazdach o zwiększonym zapotrzebowaniu na energię. Kolejną zaletą AGM jest to, że dzięki związanemu kwasowi nie jest już możliwe nakładanie warstw kwasu.
Nowa generacja akumulatorów samochodowych do pojazdów mikrohybrydowych działa przy napięciu 48 V i wykorzystuje ogniwa z technologią litowo-jonową.

Nowa generacja akumulatorów samochodowych do pojazdów mikrohybrydowych działa przy napięciu 48 V i wykorzystuje ogniwa z technologią litowo-jonową.