Akumulatory samochodowe

Budowa akumulatora

Akumulator jest źródłem energii elektrycznej prądu stałego której sam nie wytwarza lecz przechowuje w postaci energii chemicznej. W samochodzie akumulator służy do zasilania urządzeń elektrycznych gdy silnik spalinowy jest wyłączony. Energia elektryczna akumulatora zużyta w czasie postoju pojazdu lub rozruchu silnika jest uzupełniana podczas jazdy przez prądnice procesy zużywania i uzupełniania energii elektrycznej są okresowo powtarzane.

Ogniwa galwaniczne.

Ogniwem galwanicznym nazywamy najprostsze źródło prądu stałego, w którym następuje przetwarzanie energii chemicznej w energie elektryczna. Ogniwo takie ma postać naczynia napełnionego elektrolitem (tzn. roztworem soli, kwasu lub zasady), w którym są zanurzone dwie elektrody (rys.1)

Rys 1

Schemat ogniwa galwanicznego

(strzałki wskazują kierunek przepływu

 prądu elektrycznego).

Stwierdzono doświadczalnie ze jony metalu zanurzonego w elektrolicie maja skłonność „przechodzenia” do elektrolitu a jony elektrolitu-„przechodzenia” do metalu. Jeżeli więcej jonów „przechodzi” z metalu do elektrolitu to metal wykazuje ładunek ujemny, elektrolit zaś- ładunek dodatni.

Metale można uszeregować w zależności od wartości ich potencjału względem potencjału elektrody wodorowej, przyjmowanego jako zerowy (tabela)

Siła elektromotoryczna ogniwa.

Jeżeli dwa dowolne metale zanurzymy w elektrolicie, to będzie się miedzy nimi utrzymywać stała różnica potencjałów (tabela) nazywana siłą  elektromotoryczną ( E ) ogniwa galwanicznego.

Napięcie na biegunach ogniwa otwartego jest równe sile elektromotorycznej tego ogniwa.

Ponieważ w większości ogniw rezystancja wewnętrzna Rw jest bardzo mała wiec można ja pominąć. Dlatego sile elektromotoryczna ogniwa wyznacza się z równania:

E = E+ - E-

W którym:

E+ jest to potencjał elektrody dodatniej w V

E- jest to potencjał elektrody ujemnej w V

Na przykład siła elektromotoryczna ogniwa ołowiowego (tabela) wynosi:

E = 1,69 - (-0,36) = 2,05V

Akumulatory kwasowe (ołowiowe).

Budowa akumulatora kwasowego

W pojazdach samochodowych powszechnie stosuje się akumulatory kwasowe. Akumulator kwasowy (rys.2) składa się z kilku połączonych szeregowo ogniw, umieszczonych w obudowie.

Napięcie na zaciskach akumulatora zależy od liczby jego ogniw (rys.3). akumulator szesciowoltowy (6V) składa się z 3 ogniw, dwunastowoltowy (12V) – z 6 ogniw, dwudziestoczterowoltowy (24 V) – z 12 ogniw. W tym ostatnim przypadku w praktyce łączy się szeregowo dwa akumulatory 12 V.

Każde ogniwo akumulatora składa się z dwóch zespołów płyt dodatnich i ujemnych (rys.4). każda płyta (rys.5) ma postać kratki wykonanej z ołowiu, w która wprasowuje się masę czynną, określająca jej biegunowość. Głównym składnikiem masy czynnej płyt dodatnich jest dwutlenek ołowiu PbO¹, a płyt ujemnych – ołów gąbczasty.

Rys. 2

Rys. 3

Rys. 4

Rys 5

Płyty dodatnie stanowią ANODĘ, płyty ujemne – KATODĘ. Zarówno anoda jak i katoda są wykonane z kilku płyt łączonych równolegle (za pomocą mostka biegunowego-(rys. 6), przy czym płyt ujemnych jest o jedna mniej niż dodatnich.

Zespół płyt ujemnych zestawia się z zespołem płyt dodatnich tak, by płyty dodatnie sąsiadujące z ujemnymi były od nich oddzielone przekładkami o właściwościach izolacyjnych, umożliwiającymi swobodny przepływ elektrolitu. Zespoły płyt akumulatora ( bez przekładek) przedstawia rysunek 7

Zespoły płyt – połączone za pomocą mostków biegunowych – są wsparte na pionowych żeberkach (rys. 8). Dzięki temu między dolnymi krawędziami płyt a dnem obudowy pozostaje wolna przestrzeń, w której zbierają się wypadające z płyt w czasie eksploatacji akumulatora cząstki masy czynnej oraz zanieczyszczenia. Zapobiega to powstawaniu zwarć wewnętrznych.

Ogniwa są umieszczone w oddzielnych komorach obudowy, zwanej blokiem,  i połączone szeregowo za pomocą łączników między ogniwowych (rys. 9).Łączniki te znajdują się wewnątrz bloku – w przypadku obudowy z tworzyw sztucznych – lub na zewnątrz – w przypadku obudowy ebonitowej.

Wolne końcówki mostków skrajnych ogniw są wyprowadzone na zewnątrz obudowy w postaci tzw. ZACISKÓW BIEGUNOWYCH (trzpieni), o kształcie ściętych stożków (rys. 10). Na zaciskach lub obok nich na obudowie są umieszczone znaki „+” i „-”. Ponadto zacisk biegunowy dodatni ma większą średnice. Do zacisków akumulatora mocuje się końcówki przewodów akumulatorowych (rys. 11), wykonane ze stali lub mosiądzu i pokryte ołowiem. W celu uniknięcia pomyłek podczas łączenia przewodów końcówki maja różne średnice, odpowiadające średnicom zacisków akumulatora, oraz są oznaczone znakami „+” i „-”.

Komory akumulatora napełnia się elektrolitem przez otwory wlewowe wieczka ogniwa (rys.12) Korki otworów wlewowych mają otwory odpowietrzające (rys.13), które umożliwiają ulatnianie wydzielających się gazów, a jednocześnie utrudniają wylewanie się elektrolitu.

Elektrolit

W akumulatorach kwasowych elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego H2SO4

Elektrolit przygotowuje się z chemicznie czystego stężonego kwasu siarkowego i wody destylowanej. Zarówno kwas, jak i woda nie mogą zawierać żadnych zanieczyszczeń, gdyż mogłyby mogły by one spowodować nieodwracalne uszkodzenie płyt akumulatorowych.

W czasie przygotowania elektrolitu należy zachować szczególną ostrożność,  tzn. osłonę na twarz, gumowe rękawice, buty i fartuch.

Aby uzyskać elektrolit o wymaganej gęstości, należy zachować odpowiednie proporcje kwasu siarkowego i wody destylowanej (tabela poniżej).

Podczas rozcieńczenia kwasu woda wlewa się kwas do wody- w żadnym wypadku nie                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    wolno postąpić odwrotnie, ponieważ grozi to rozpryskiem i poparzeniem.

Kwas należy wlewać powoli, cienkim strumieniem do wody, a następnie miesząc roztwór prętem z kwasoodpornego metalu. Temperatura roztworu nie może przekraczać 60*C.

Elektrolit przygotowany do napełnienia suchego i nie naładowanego akumulatora powinien mieć gęstość 1,26g/cm3, a w przypadku akumulatora suchego, lecz już uprzednio ładowanego- 1,285g/cm3. gęstość elektrolitu sprawdza się aerometrem (rys14).

Poziom elektrolitu powinien znajdować się 10-15 mm. Powyżej górnych krawędzi płyt. Poziom elektrolitu sprawdza się za pomocą rurki szklanej, którą należy zanurzyć przez otwór wylewowy Az do oparcia o płyty. Po zatkaniu rurki palcem wyjmuje się ja i odczytuje wysokość słupa cieczy w rurce (rys.15).

W przypadku napełnienia elektrolitem akumulatora suchego-po napełnieniu należy go odstawić na kilka godzin, aby płyty dobrze wchłonęły elektrolit. Akumulator pierwotnie suchy i nie ładowany jest gotowy do pierwszego ładowania po 5 lub 6 godzinach. Akumulator pierwotnie suchy, lecz uprzednio ładowany, jest gotowy do ładowania już po ok.. 2 godzinach.

Reakcje chemiczne w czasie ładowania i wyładowania akumlatorów

Akumulator ładuje się prądem stałym, łącząc zacisk źródła napięcia oznaczony „+” z zaciskiem „+” akumulatora oraz zacisk „-” źródła napięcia z zaciskiem „-” akumulatora.

Podczas ładowania w akumulatorze następuje następująca reakcja:                                      

W czasie ładowania wyzwolony jest z płyt siarczan ołowiowy PbSO4 łączy się z H2 pobieranym z wody, tworząc kwas siarkowy H2SO4. reakcji tej towarzyszy wzrost gęstości elektrolitu.

Podczas wyładowania w akumulatorze zachodzi reakcja odwrotna:

Podczas wyładowania elektrolit H2SO4 wchodzi w reakcje z ołowiem Pb, składnikiem masy czynnej płyt dodatnich i ujemnych, tworząc siarczan ołowiowy PbSO4. siarczan osadza się na płytach akumlatora. Wydzielająca się jednocześnie woda zmniejsza gęstość elektrolitu.

Ogólne zasady ładowania akumlatorów.

Zanim przystapimy do ładowania akumlatorów należy sprawdzić jego oznakowanie (rys.16).

Polskie akumulatory są oznakowane zgodnie z zaleceniami normy PN-93/E-83001/01.

AKUMLATOR POWINIEN BYĆ OZNAKOWANY NASTEPUJACO:

-Wyróżnik. Np. symbole zawarte w wyróżniku 6 S.C. 45P oznaczają kolejno: 6-liczbe ogniw, S- akumlator sucho ładowany, C-rodzaj płyt, 45-pojemnosc (A x h) 20-godz, P-akumlator z obudowa wykonana z polipropylenu.

- Napięcie znamionowe w woltach (V)

- pojemność znamionowa Qn amperogodzinach (A x h).

-prąd wyładowania w temp. -18*C w amperach (A).

-oznaczenie biegunowości.

-nazwa lub znak wytwórcy.

-data produkcji (miesiąc i rok)

-klasa akumulatora (wg IEC) A lub B.

Klasa A dotyczy akumlatorów do pojazdów osobowych.

Klasa B dotyczy akumlatorów do ciężarówek, autobusów, maszyn budowlanych.

Akumulatory przeznaczone do pracy w klimacie tropikalnym powinny mieć dodane do oznaczenia klasy A i B literę T, tj: AT i BT.

-bezobsługowy- jeżeli działa bez uzupełnienia wody lub odpowiada podwyższonym wymaganiom.

Szczególnie ważne jest sprawdzenie pojemności akumulatora i liczby jego ogniw.

Pojemność akumulatora Q jest to ładunek elektryczny, jaki można pobrać z naładowanego akumulatora do chwili, gdy napięcie na jego zaciskach spadnie do wartości minimalnej, odpowiadającej dopuszczalnemu rozladowaniu-1,75V na 1 ogniwo.

Pojemność (w A x h) określa zależność

Q = I x t

W której: I – prąd wyładowania w A,

               T – czas wyładowania w h.

Teoretycznie akumulator można wyładować dowolnym prądem; jednak ze względu na trwałość płyt należy obliczać prąd wyładowania akumulatora zakładając, ze czas wyładowania będzie równy 20h.

Na przykład, gdy pojemność akumulatora Q = 34A x h , wówczas prąd wyładowania

Prąd znamionowy wyładowania I20 to maksymalny prąd,  jaki można pobrać z akumulatora bez jego uszkodzenia.

Pojemność 20-godzinna Q20 to pojemność akumulatora, którego czas wyładowania do osiągnięcia minimalnego napięcia (1,75V na 1 ogniwo) w temp. 25*C wynosi 20h. pojemność 20-godzinna przyjęto nazywać POJEMNOŚCIĄ ZNAMIONOWĄ akumulatora.

Sposoby ładowania akumlatorów.

Ładowanie pierwsze formujące.  W tym przypadku sposób przygotowania elektrolitu zależy od tego, czy jest to akumulator suchy ładowany czy suchy nie ładowany. Akumulator należy ładować prądem stałym o stałej wartości. Potrzebny jest do tego prostownik z urządzeniem do stabilizacji prądu. Przed przystąpieniem do ładowania należy sprawdzić: stan techniczny przewodów elektrycznych i zacisków, dokręcenie połączeń gwintowych, a także – wykręcić korki wlewowe oraz sprawdzić poziom elektrolitu.

Akumulator suchy nie ładowany (elektrolit 1,265 g/cm3) ładuje się 50-70h. prądem I = 0,05Q20. w przypadku akumulatora o pojemności Q = 34 A x h prąd ładowania I = 1,7 A.

Ładowanie uznaje się za zakończone, gdy wszystkie ogniwa jednakowo „gazują”, napięcie ogniw wynosi 2,4 V , a elektrolit osiągnął gęstość 1,285 g/cm3. po pierwszym ładowaniu pożądane jest ładowanie akumulatora prądem I = 0,10 Q20 trwające ok. 5h, a następnie ponowne ładowanie prądem I = 0,10 Q20 do pełnego naładowania.

Akumulator suchy ładowany (elektrolit 1,28 g/cm3) ładuje się od 4-10 h prądem I = 0,25Q20. W przypadku gdy taki akumulator był przechowywany nie dłużej niż 6 miesięcy od daty produkcji lub gdy odbył długa jazdę po zainstalowaniu w samochodzie, wówczas nie ma potrzeby ładowania go, wystarczy samo zalanie odpowiednim elektrolitem.

Ładowanie jednostopniowe. Jednostopniowo akumulator ładuje się prądem I = 0,10 Q20 do chwili zauważenia oznak całkowitego ładowania. Akumulator całkowicie wyładowany ładuje się w ten sposób ok. 13 h. takie ładowanie nie jest zalecane, gdyż niekorzystnie wpływa na trwałość akumulatora.

Ładowanie dwustopniowe. Dwustopniowo akumulator ładuje się prądem I = 0,10 Q20 od chwili występowania ,,gazowania” (2,4V). Gdy akumulator był całkowicie wyładowany, ładowanie trwa ok. 20 h. następnie zaleca się 2-godzinna przerwę, by umożliwić dyfuzję elektrolitu oraz odgazowanie, i ponowne ładowanie prądem I = 0,05Q20

Ładowanie przyśpieszone. W sposób przyspieszony akumulator ładuje się prądem I = 0,80 Q20 od chwili występowania ,,gazowania” ogniw (2,4V) a następnie prąd ładowanie zmniejsza się do wartości I = 0,10 Q20. W ciągu 0,5 h akumulator można w ten sposób naładować do 60 -70 % pojemności. Ładowanie takie stosuje się tylko w przypadkach awaryjnych, ponieważ niekorzystnie wpływa na trwałość akumulatora.

Ładowanie prądem przy stałym napięciu.  Jest to sposób bardzo często stosowany. Napięcie powinno być utrzymane w granicach  2,35 - 2,45V na ogniwo. Prąd ładowania - początkowo duży – stopniowo maleje. W tym przypadku wykorzystuje się zdolność akumulatora do samoregulacji prądu ładowania w zależności od stopnia naładowania. W taki sposób odbywa się ładowanie akumulatora w czasie jazdy samochodem. Proces taki zachodzi w układzie prądnica- regulator napięcia- akumulator.

Ładowanie regeneracyjne (odsiarczające).  Oznaki zasiarczenia akumulatora to między innymi:

- zbyt mała gęstość elektrolitu po naładowaniu,

- duża wartość napięcia podczas ładowania,

- znaczny spadek pojemności elektrycznej,

- wzrost temperatury powyżej 40*C w czasie ładowania.

W przypadku niewielkiego zasiarczenia akumulator można zregenerować przez odpowiednie  ładowanie (wyrównawcze) prądem I = 0,02 – 0,05 Q20 aż do wystąpienia oznak całkowitego naładowania. Ładowanie należy przeprowadzić z przerwami: po 12 h ładowania 1-2 h przerwy.

W przypadku dużego zasiarczenia z akumulatora należy usunąć elektrolit, napełnić go woda destylowaną i ładować prądem I = 0,02 – 0.05 Q20 przez od 3-6 dni aż do ustalenia się napięcia na zaciskach akumulatora. Następnie po raz trzeci należy wylać elektrolit, napełnić akumulator świeżym o gęstości 1,26 – 1,30 g/cm3 i ładować go prądem I = 0,05 Q20 aż do wystąpienia objawów pełnego naładowania.

Ocena stopnia naładowania akumulatora.

Napięcie akumulatora mierzy się za pomocą próbnika ogniw (rys. 17).

Napięcie każdego ogniwa sprawdza się oddzielnie, przykładając ostrza widełkowe równolegle do końcówek biegunowych, to jest ostrze dodatnie próbnika do końcówki biegunowej ujemnej. Próbnik służy do szybkiej oceny stopnia naładowania ogniw akumulatora. Obecnie w użyciu znajdują się też próbniki umożliwiające ocenę stopnia naładowania całego akumulatora.

Są one niezbędne, gdy mamy do czynienia z akumulatorami z których łączniki międzyogniwowe nie są wyprowadzone na zewnątrz.

Stopień naładowania akumulatora można również ocenić mierząc areometrem gęstość elektrolitu w ogniwach. Zależność stopnia naładowania akumulatora od gęstości elektrolitu w temperaturze 20*C i siły elektromotorycznej ogniwa podano w tablicy:

W praktyce siłę elektromotoryczną (w V) ogniwa z wystarczająca dokładnością wyznacza się z równania

E = 0,84 + y

W którym: y – gęstość elektrolitu w temperaturze 20*C, w g/cm3.

Temperatura otoczenia ma znaczny wpływ na pojemność akumulatora, np. w temperaturze 30*C – Q20 = 100%, a w temperaturze -30*C pojemność 20-godzinna Q20 = 40 % pojemności znamionowej.

Typowe usterki akumulatorów i przyczyny ich występowania.

Zasiarczenie płyt. Akumulatora może być spowodowane:

- wyładowaniem poniżej dopuszczalnego napięcia wyładowania i pozostawieniem go w takim stanie przez dłuższy czas

- zbyt niskim poziomem elektrolitu

- długotrwałym nie użytkowaniem akumulatora, co powoduje jago samowyładowanie

- zbyt mała gęstość elektrolitu

- ciągłym nie doładowaniem akumulatora

Wyginanie płyt. Jest spowodowane nagromadzeniem siarczanu ołowianego na płytach dodatnich w skutek nadmiernego wyładowania. Przyczyna tego rodzaju uszkodzenia akumulatora może być również wyładowanie go zbyt dużym prądem.

Gromadzenie się zanieczyszczeń. Między żebrami na dnie naczynia akumulatora jest spowodowana opadaniem rozluźnionej masy czynnej w wyniku przemian elektrochemicznych.

Gazowanie elektrolitu. Jest spowodowane przeładowaniem akumulatora. Tworzące się pęcherzyki gazu działają mechanicznie na masę czynną, powodując wypadanie masy, a tym samym zniekształcenie płyt.

Przebiegunowanie ogniw. Może wystąpić, gdy akumulator zostanie wadliwie połączony ze źródłem napięcia, tzn.. Biegun ,,-”akumulatora z biegunem ,,+” źródła napięcia. W takim przypadku akumulator najpierw zostanie całkowicie wyładowany, a następnie będzie ładowany w kierunku przeciwnym, w wyniku czego płyty dodatnie staną się ujemnymi, a ujemne – dodatnimi.

Akumulatory zasadowe.

Do akumulatorów zasadowych zalicza się akumulatory: żelazowo-niklowe, kadmowo-niklowe, cynkowo-srebrowe, kadmowo-srebrowe.

Zasadowym elektrolitem w tych akumulatorach jest wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH, o gęstości 1,19 - 1,21 g/cm3.

Jako zalety tych akumulatorów należy wymienić: odporność na zwarcia, przeciążenia i wstrząsy oraz łatwość obsługi i eksploatacji. Ich wady to zbyt niskie napięcie poszczególnych ogniw, mała sprawność w stosunku do kosztów produkcji oraz większa niż akumulatorów kwasowych rezystancja wewnętrzna. Z tych względów nie są one powszechnie stosowane jako akumulatory rozruchowe.

Akumulatory bezobsługowe.

Dla użytkowników znacznie wygodniejsze od dotychczas omówionych są akumulatory bezobsługowe (rys.18).

Przygotowane fabrycznie do eksploatacji nie wymagają żadnej obsługi oni konserwacji w okresie podanym w instrukcji. Ich konstrukcja i zasada działania zapewniają katalityczne odzyskiwanie rozłożonej wody. Dzięki temu w takim akumulatorze występuje rezerwa elektrolitu przez cały okres jego eksploatacji. Nie trzeba zatem dolewać do niego wody destylowanej. Nie ma więc on korków wlewowych, jego obudowa jest hermetyczna, zamknięta ,,raz na zawsze”. Tym samym do wnętrza akumulatora nie mogą się przedostać żadne zanieczyszczenia.

Wskaźnik ładowania (tabela poniżej) umożliwia szybką wzrokowa ocenę stanu naładowania akumulatora

Wskaźnik stanu ładowania akumulatora

Akumulatory bezobsługowe są lżejsze i maja większą niż tradycyjne moc.

Okres pracy akumulatora bez obsługi, z zachowaniem jego parametrów, wynosi kilka lat.