Akumulatory samochodowe: Konstrukcja i działanie

Transkrypt

1 Akumulatory samochodowe: Akumulator kwasowo-ołowiowy rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu(iv) (PbO 2) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego(vi), spełniającego funkcję elektrolitu. Konstrukcja i działanie Typowy akumulator do samochodu osobowego jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. KaŜde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umoŝliwiając przepływ bardzo duŝych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych. W samochodach cięŝarowych stosowane są baterie akumulatorów złoŝone z 12 ogniw o nominalnym napięciu 24 V. Baterie 6V były stosowane w motocyklach, a dawniej w takŝe samochodach (np. Trabant do roku 1983). Pojedyncze ogniwo składa się z: anody wykonanej z metalicznego ołowiu - (-) - w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania katody wykonanej z PbO 2 - (+) - w trakcie poboru prądu i (-) w trakcie ładowania elektrolitu, którym jest 37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

2 Rozładowywanie W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach: anoda utlenianie: Pb + SO 4 2 PbSO 4 + 2e ε 0 = 0,356 V katoda redukcja: PbO 2 + SO H + + 2e PbSO 4 + 2H 2O ε 0 = 1,685 V Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan(vi) ołowiu(ii) (PbSO4). W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle Ŝe w drugą stronę. W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26 1,28 g/cm 3 (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym 1,23 g/cm 3 ). Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stęŝenia elektrolitu oraz gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w akumulatorze samochodowym 12V), a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm 3, akumulator naleŝy niezwłocznie naładować. Stan naładowania wg gęstości elektrolitu moŝna zmierzyć areometrem lub refraktometrem. Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny, będący elektrycznym izolatorem, trudno reagującym, powodującym spadek pojemności akumulatora. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

3 Ładowanie Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do źródła prądu (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin. Prąd ładowania wynosi 10% pojemności akumulatora (dla akumulatora 40 Ah prąd ładowania wynosi 4 A). MoŜliwe jest ładowanie przyśpieszone (1 godzina) według zaleceń producenta. Podczas ładowania napięcie ogniwa wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość elektrolitu rośnie. Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Po osiągnięciu napięcia 2,5 V naleŝy przerwać ładowanie, w przeciwnym razie dochodzi do przeładowania akumulatora. Skutkuje to wydzieleniem duŝych ilości wodoru (tzw. zagotowaniem). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która moŝe eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów naleŝy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie i unikać iskrzenia przy odłączaniu zacisków prostownika (w pierwszej kolejności odłączyć prostownik z sieci). W czasie ładowania wydziela się w elektrolicie ciepło, które przy temperaturze powyŝej 40 C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Nie powinno się uŝytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyŝej 40 C (w krajach o klimacie tropikalnym). NieuŜywany akumulator trzeba okresowo (co miesiąc) doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samorozładowywaniem się akumulatora!!! Pojemność Pojemność akumulatorów ołowiowych podaje się w amperogodzinach (Ah). Pojemność zaleŝy od sposobu rozładowywania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Dla przykładu aby rozładować w ciągu 10 godzin akumulator 40 Ah, naleŝy czerpać z niego prąd o natęŝeniu 4 A. Niektórzy producenci stosują inne pojęcia pojemności akumulatora, np. pojemność 5- godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR). W ujemnych temperaturach pojemność maleje powodując trudności z uruchomieniem pojazdów w zimie. Przy duŝych mrozach w rozładowanym akumulatorze moŝe dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. Dawniej zalecane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika. Obecnie prace przy akumulatorach w nowoczesnych samochodach są często zabronione z powodu moŝliwości uszkodzenia elektroniki oraz skasowania pamięci sterowników Akumulatory tzw. "bezobsługowe" i "Ŝelowe Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duŝe jego stęŝenie w

4 elektrolicie i konieczność okresowego uzupełniania. Oba problemy rozwiązuje się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy lub stosując elektrolity Ŝelowe. Elektrolity Ŝelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do nich środka Ŝelującego (np: Ŝywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów - uszczelnione i Ŝelowe nazywa się "bezobsługowymi" - gdyŝ w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości elektrolitu. Akumulator Ŝelowy Akumulator Ŝelowy rodzaj akumulatora kwasowo-ołowiowego, z Ŝelowym elektrolitem. Kwas siarkowy po wymieszaniu z krzemionką tworzy masę o konsystencji Ŝelu. Standardowy akumulator Ŝelowy wykorzystywany m.in. w UPS-ach Cechy nie wymagają one stawiania ich w pozycji pionowej (w przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów), nie trzeba uzupełniać elektrolitu, (Ŝel nie paruje, dlatego często nazywa się je bezobsługowymi, choć do tej grupy naleŝą takŝe inne typy akumulatorów), nie ma wycieków elektrolitu (oraz wynikającej z tego korozji), większa odporność na ekstremalne temperatury, uderzenia i wibracje

5 Budowa Akumulator typu VRLA Akumulatory tego typu zostały wprowadzone na rynek w USA w latach 60. ubiegłego stulecia. Są to akumulatory kwasowo-ołowiowe posiadające jako elektrolit zŝelowany kwas siarkowy. Materiałem Ŝelującym dodawanym do kwasu siarkowego jest krzemionka. Zaletą akumulatorów Ŝelowych jest dobra odporność na ubytek elektrolitu podczas pracy elektrycznej oraz małym samorozładowaniem (akumulatory Ŝelowe nie wykazują ubytku ładunku w wyniku samorozładowania po czasie rzędu 6 miesięcy). Akumulatory tego typu zazwyczaj produkowane są jako akumulatory typu "VRLA" (tj. akumulatory kwasowo-ołowiowe z zaworami, z ang. valve regulated lead acid). W akumulatorach Ŝelowych stosuje się kolektory (kratki) wykonane ze stopów ołowiu nie zawierających antymonu. Inna technologią stosowaną w akumulatorach VRLA, konkurencyjną do akumulatorów Ŝelowych, jest "AGM" (z ang. absorbtive glass mat) technologia w której elektrolit jest zaabsorbowany w separatorze wykonanym z maty szklanej. Poprzez taki rodzaj wypełnienia przestrzeni międzyelektrodowej zlikwidowano moŝliwość wycieku elektrolitu z uszkodzonego mechanicznie akumulatora oraz polepszono moc maksymalną akumulatora ze względu na niską rezystancję wewnętrzną tego typu konstrukcji. Akumulatory Ŝelowe stosuje się zarówno do pracy w reŝimie cyklicznym (akumulatory małej i średniej pojemności do mobilnej elektroniki), trakcyjnym (wózki golfowe, inwalidzkie, maszyny czyszczące, wózki widłowe) oraz zastosowania stacjonarne (akumulatorownie, UPS), sprzęŝonym z instalacjami solarnymi. Wadą akumulatorów Ŝelowych w stosunku do AGM są relatywnie mniejsze moce podczas rozładowania duŝymi prądami powyŝej C/3. Z tego powodu akumulatory Ŝelowe nie są na ogół stosowane do zastosowań wysokomocowych ani w bardzo niskich temperaturach

6 Typowy akumulator samochodowy, złoŝony z 6 ogniw posiada: siłę elektromotoryczną = 12,6 V Minimalne napięcie (wskazujące na stan głębokiego rozładowania) - 10,8 V Prawidłowe napięcie ładowania - minimalne: 13,9 V - maksymalne 14,5 V Napięcie przeładowania - występujące w trakcie wydzielania wodoru > 14,7 V W przypadku rozładowania akumulatora celowe jest ładowanie go niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V Akumulator jest, w najprostszy sposób ujmując chemicznym źródłem i jednym z dwóch źródeł prądu w kaŝdym samochodzie z silnikiem spalinowym. Drugim jest alternator lub prądniaca (w wypadku starszych samochodów). Oba źródła pełnią rolę przemienne. Co oznacza, iŝ gdy jedno dostarcza energię do pojazdu drugie tego nie robi. Akumulator dostarcza energię do obwodów elektrycznych samochodu w wypadku gdy silnik pojazdu jest wyłączony lub gdy ten jest włączony jednak prędkość obrotowa wału korbowego jest zbyt mała aby nastąpiło uruchomienie prądnicy. Tak więc w momencie rozruchu silnika prąd niezbędny do zasilania rozrusznika oraz układu zapłonowego dostarczany jest z akumulatora. Ale to nie wszystko. To właśnie dzięki akumulatorowi moŝemy np. podczas postoju słuchać radia w samochodzie. Od momentu kiedy silnik rozpoczyna pracę akumulator przestaje być źródłem prądu jest ładowany prądem wytworzonym przez prądnicę/alternator.

7 BUDOWA SYSTEMU ELEKTRYCZNEGO W POJEŹDZIE, W SKŁAD KTÓREGO WCHODZI AKUMULATOR - układ zapłonowy w silniku benzynowym swoją rolę odgrywa w momencie kiedy wsiadając do pojazdu włączamy zapłon. Wtedy to akumulator dostarcza prąd do cewki, która przetwarza napięcie z 6 lub 12 V jakie wychodzą z akumulatora na V. Stamtąd prąd wędruje do rozdzielacza, który z kolei przesyła go na świece zapłonowe (w momencie gdy silnik jest juŝ włączony). - układ rozruchowy kiedy ustawimy stacyjkę w pozycji start prąd przesyłany jest z akumulatora do rozrusznika. Potocznie rozrusznikiem jest silnik elektryczny. Negatywną cechą działania rozrusznika jest duŝy pobór prądu, co szczególnie w zimnych porach roku stawia duŝe wymagania akumulatorowi. - układ ładowania jak pisaliśmy wcześniej podczas pracy silnika akumulator ulega ładowaniu. Układ ładowania składa się z prądnicy oraz regulatora napięcia, którego zadaniem jest utrzymywanie napięcia ładowania akumulatora na odpowiednim poziomie przy zróŝnicowanych warunkach klimatycznych i eksploatacyjnych. Aby sprawdzić czy akumulator rzeczywiście jest odpowiednio naładowany moŝna przeprowadzić pomiar gęstości elektrolitu, który w powinien utrzymywać się na poziomie 1,26-1,28 kg/l przy normalnym uŝytkowaniu. W tej części opisujemy najwaŝniejsze elementy z jakich składa się akumulator znajdujący się w niemalŝe w kaŝdym modelu samochodu jaki porusza się po naszych drogach. Akumulator: stanowi zestaw ogniw (baterię) połączonych ze sobą elektrycznie i zamkniętych w odseparowanych celach wewnątrz obudowy (bloku). W dwóch skrajnych ogniwach znajdują się znajdują się wyprowadzenia tak zwane końcówki biegunowe dodatnią i ujemną. Końcówki biegunowe są przeznaczone do połączenia akumulatora z obwodem elektrycznym samochodu. Kratka: spełnia tę samą funkcję w zarówno ujemnych, jak i dodatnich płytach. Jest szkieletem konstrukcyjnym oraz przewodnikiem prądu elektrycznego. W nowoczesnych modelach akumulatorów kratki są znacznie cieńsze niŝ kiedyś, a to dlatego, Ŝe chcemy maksymalnie wykorzystać dostępną energię w akumulatorach, równocześnie obniŝając ich cięŝar. Płyta dodatnia (po naładowaniu ma barwę brązową) oraz płyta ujemna (po naładowaniu ma barwę szarą). Separator: Jego zadaniem jest zapobieganie stykaniu się ze sobą płyt

8 ujemnych i dodatnich. Zetknięcie płyt doprowadziłoby do zwarcia. Separator musi być porowaty tak, aby prąd mógł przepływać z jak najmniejszym oporem. Ogniwo: Zestaw płyt dodatnich i ujemnych oddzielony separatorami. Płyty dodatnie połączone są w jeden zespół, ujemne w inny. Akumulator: Składa się z ogniw, z których kaŝde wytwarza napięcie rzędu 2,13 V. Aby jednak akumulator posiadał poŝądane napięcie całkowite ogniwa te muszą być połączone szeregowo (przy połączeniu 3 ogniw napięcie wynosi około 6 v, a przy połączeniu 6 ogniw około 12 V). Najpopularniejsze w uŝytku są obecnie akumulatory 12 V. Obudowa akumulatora: Jest to blok z kwasoodpornego materiału obudowujący zestawy płytowe najczęściej z polipropylenu lub ebonitu. Elektrolit: Rozcieńczony czysty kwas siarkowy, w którym zostają zanurzone płyty dodatnie i ujemne. Poza uczestnictwem w procesie aktywacji materiału czynnego płyt elektrolit przewodzi takŝe pomiędzy nimi prąd elektryczny. Akumulator (nie)całkowicie bezobsługowy Wielu sprzedawców akumulatorów po dziś dzień spotyka się z zapytaniami ze strony klientów czym tak naprawdę jest akumulator bezobsługowy oraz czy akumulator zamontowany w ich samochodzie jest bezobsługowy? Na to drugie pytanie sprzedawcy często odpowiadają TAK! Niestety często się mylą. O czym mowa? UŜywając dość prostego języka akumulator bezobsługowy nie wymaga dolewania wody destylowanej. Obalimy tu jednak pewien mit, gdyŝ większość akumulatorów, które są reklamowane jako bezobsługowe. śaden akumulator, który nie jest hermetyczny nie jest 100% bezobsługowy. Jakie są więc podstawowe cechy akumulatora bezobsługowego: nie wymagają uzupełniania wody i ciągłej konserwacji elektrolitu (pomiary gęstości, poziomu itp.), są szczelne - mogą więc pracować w dowolnej pozycji i w normalnych warunkach eksploatacji nie wydzielają gazów, dzięki szczelności są bezpieczne w eksploatacji i nieszkodliwe dla otoczenia (nie ma kwaśnych oparów i niebezpieczeństwa poparzenia

9 kwasem siarkowym) a takŝe nie wymagają pomieszczeń ze specjalną, wymuszoną wentylacją, w porównaniu z klasycznymi akumulatorami mają niŝszą oporność wewnętrzną i są średnio o 70 [%] mniejsze i o 50 [%] lŝejsze przy danej pojemności. Przykładem faktycznie bezobsługowych akumulatorów są spotykane na rynku polskim akumulatory spiralne. KaŜda cela jest zwinięta w spiralę tzn. tak, jak gdyby wziąć normalną celę i ją zrolować w naleśnik. Zwinięcie płyt w spiralę pozwoliło na znaczne obniŝenie oporu wewnętrznego akumulatora co skutkuje wyŝszymi prądami rozruchu. Natomiast wprowadzenie włókna pozwala na obniŝenie parowania wody z elektrolitu, czyli uzyskania akumulatora de facto bezobsługowego. To z kolei pozwala na całkowicie hermetyczne zamknięcie akumulatora. Taki akumulator moŝe być montowany w kaŝdej pozycji nawet do góry nogami.