14Окт

Конструкция аккумуляторной батареи: Конструкция аккумуляторной батареи

Содержание

Конструкция аккумуляторной батареи — МегаЛекции

аккумулятор батарея ток кислотный

Основы традиционного исполнения батарей сформировались уже в начале 20-го века и постепенно трансформировались до современного состояния по мере появления новых конструкционных материалов, но их эксплуатационные недостатки при этом сохранились.

В России батареи традиционного исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой.

Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 3.1) собирают в одном многоячеечном корпусе — моноблоке, выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами. Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними кромками фиксирующих электроды опорных призм служит для накаливания шлама — осадка, образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы положительных электродов. Когда объем шламового пространства заполняется, происходит замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.

 

Рисунок 3.1 — Аккумуляторная батарея с отдельными крышками: 1- опорные призмы; 2- моноблок; 3- отрицательный электрод; 4- сепаратор; 5- положительный электрод; 6- межэлементные соединения; 7- щиток; 8- борн; 9- положительный вывод; 11- пробка; 13- вентиляционное отверстие; 14- отрицательный вывод; 15- крышка; 16- перегородки

 

Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции — решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому.

Сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы, выполнена ребристой.

Борн, который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи привариваются полюсные выводы и, служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью. Положительный и отрицательный выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении АКБ к бортовой цепи автомобиля.

В верхней части электродного блока устанавливают щиток, предохраняющий верхние кромки сепараторов от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.

Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой. В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока.

Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации. После заливки электролита резьбовое отверстие закрывают пробкой из полиэтилена, имеющей небольшое вентиляционное отверстие, предназначенное для выхода газов при эксплуатации.

Для герметичной укупорки новых сухозаряженных батарей в верхней части пробки над вентиляционным отверстием выполнен глухой прилив. Для обеспечения нормальной эксплуатации этот прилив, после заливки электролита в батарею, необходимо срезать.

Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 3.2

В моноблоке установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов и, разделенных сепараторами. Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений через отверстия в перегородках моноблока. Крышка сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации АКБ с общей крышкой метод контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от −50°C до 70°C).

 

Рисунок 3.2- Аккумуляторная батарея с общей крышкой: 1-моноблок; 2-отрицательный электрод; 3-положительный электрод; 4- сепаратор; 5-перегородка; 6-межэлементные соединения; 7-крышка

 

Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды.

За последние 20-25 лет, по мере развития технологии и совершенствования оборудования, появилось несколько разновидностей батарей так называемого «необслуживаемого» исполнения. Их основная отличительная особенность — использование сплавов с пониженным содержанием сурьмы или вовсе без нее для производства токоотводов.

Усовершенствование конструкции при создании необслуживаемых АКБ заключается еще и в том, что для увеличения запаса электролита без изменения высоты батареи, один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт, который изготовлен из микропористого полиэтиленового материала с низким электросопротивлением. В этом случае замыкание электродов различной полярности, при отсутствии сбоев в работе сборочного оборудования, практически исключено. Поэтому опорные призмы становятся ненужными, и блок электродов можно установить прямо на дно ячейки моноблока. В результате та часть электролита, которая раньше находилась в шламовом пространстве между призмами и не принимала участия в работе аккумулятора, теперь находится над электродами и пополняет его запас, расходуемый при эксплуатации батареи.

Первоначально такие батареи начали выпускать в США на базе свинцово-кальциевого сплава (0,07-0,1% Ca; 0,1-0,12% Sn; остальное — Pb) для токоотводов, положительного и отрицательного электродов. Это снизило газовыделение, что обеспечило эксплуатацию АКБ без доливки воды в течение как минимум двух лет. Расход воды у этих батарей так мал, что конструкторы убрали из крышек отверстия для доливки воды и сделали батареи полностью необслуживаемыми. При этом самозаряд батарей замедлился более чем в 6 раз. Однако, при нескольких глубоких разрядах такие АКБ быстро теряют емкость и их стартерные характеристики резко снижаются, из-за чего они не нашли широкого распространения в Европе и России.

В это же время в США появились батареи системы «кальций плюс» (гибридные) с содержанием до 1,5-1,8% сурьмы и 1,4-1,6% кадмия в положительном токоотводе и свинцово-кальциевым отрицательным токоотводом. Характеристики этих батарей по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных, но все еще не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых.

К началу 80-х годов производство необслуживаемых батарей стало быстро развиваться в странах Европы. Но там пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0% содержанием сурьмы. Однако, у таких АКБ расход воды и саморазряд в 2-3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами. Позже и в Европе появились так называемые гибридные батареи.

Наконец, в конце 90-х годов и в США, и в Западной Европе началось производство батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов, в том числе серебра, которые не боятся глубоких разрядов.

В России выпускаются необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А·ч с токоотводами из малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы 1,7-3,0%.

Следует отметить, что эксплуатация батарей без отверстий для доливки воды требует более точной работы системы энергосбережения автомобиля, а также более внимательного отношения автовладельцев к состоянию и исправной работе электрооборудования. В первую очередь это касается натяжения ремня привода генератора и исправности самого генератора, а также регулятора напряжения.

Отрицательно сказывается на состоянии батарей последнего поколения и наличие утечек тока в системе электрооборудования или сигнализацию.

Подавляющее большинство АКБ, поступающих в Россию из стран Европы, выпускают, как правило, в гибридном исполнении, либо с токоотводами обеих полярностей из свинцово-кальциевых сплавов. При изготовлении сухозаряженных батарей многие производители применяют для электродов обеих полярностей малосурьмяные сплавы с содержание сурьмы 1,6-1,8% [4].


Воспользуйтесь поиском по сайту:

Аккумуляторная батарея на автомобиле. Устройство, эксплуатация, маркировка

Содержание страницы

  • 1. Принцип действия аккумулятора
  • 2. Устройство аккумулятора
  • 3. Конструкция аккумуляторных батарей
  • 4. Маркировка аккумуляторных батарей
  • 5. Параметры автомобильных батарей
  • 6. Заряд автомобильных батарей
  • 7. Эксплуатация аккумуляторных батарей
  • 8. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей
  • 9. Неисправности автомобильных АКБ
  • 10. Техника безопасности при работе с АКБ

Химическим источником тока называется устройство, в котором энергия протекания окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую.

По характеру работы эти источники делятся на две группы:

  • первичные источники тока, или гальванические элементы;
  • вторичные источники тока, или аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование и являются необратимыми источниками энергии.

Вторичные источники являются обратимыми источниками энергии: после разряда их работоспособность можно восстановить путем пропускания тока в обратном направлении.

Аккумуляторная батарея на автомобиле выполняет четыре основные функции:

  1. Надежный запуск двигателя.
  2. Энергоснабжение при выключенном двигателе (неработающем генераторе).
  3. Компенсация дефицита энергии при работе совместно с генератором.
  4. Сглаживание пульсаций напряжения бортовой сети.

Стартерные аккумуляторные батареи должны удовлетворять следующим основным требованиям (ГОСТ Р 53165-2008):

  1. Обеспечивать необходимый для работы стартера разрядный ток.
  2. Обладать запасом энергии для питания потребителей при неработающем двигателе или в аварийной ситуации.
  3. Сохранять работоспособность при повышенной (до плюс 60 °С) и пониженной (до минус 50 °С) температуре окружающей среды.
  4. Обладать герметичностью. Электролит не должен выливаться при наклоне на 45°.
  5. Принимать заряд для восстановления израсходованной емкости.
  6. Удовлетворять требованиям стандарта по расходу воды и саморазряду.
  7. Иметь высокую механическую и вибрационную прочность.
  8. Срок службы батареи должен составлять не менее 24 (48) месяцев или 90 (100) тыс. км пробега.

На подавляющем большинстве автомобилей получили применение свинцово-кислотные аккумуляторы.

1. Принцип действия аккумулятора

В свинцово-кислотном аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют:

  • диоксид свинца PbO2 (окислитель) положительного электрода;
  • губчатый свинец Pb (восстановитель) отрицательного электрода;
  • электролит — водный раствор серной кислоты (H2SO4).

Рисунок 1 – Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

При подключении потребителя происходит разложение серной кислоты и образование воды. На положительном и отрицательном электродах образуется сульфат свинца (PbSO4).

Рисунок 2 – Процесс разряда аккумулятора

При подключении источника происходит восстановление губчатого свинца на отрицательном электроде, диоксида свинца – на положительном электроде и серной кислоты в электролите.

Рисунок 3 – Процесс заряда аккумулятора

Химическая реакция, протекающая в аккумуляторе описывается следующим уравнением:

2. Устройство аккумулятора

Аккумулятор содержит два полублока отрицательных и положительных пластин, разделенных между собой сепараторами. Каждая пластина состоит из активной массы и решетки, которая служит токоотводом и основой удерживающей активную массу.

Рисунок 4 – Устройство аккумулятора

В верхней части решетки имеется ушко, с помощью которого пластины привариваются к соединительному мостику (баретке), имеющему общий вывод для соединения аккумуляторов в батарею.

Рисунок 5 – Положительная (слева) и отрицательная решетки аккумулятора

Основой материала решеток является свинец с добавками других веществ. Добавление к свинцу сурьмы увеличивает прочность, но приводит к повышенному расходу воды.

Замена сурьмы кальцием уменьшает расход воды практически до нуля, однако снижает устойчивость батареи к глубоким разрядам. Гибридные батареи имеют в составе положительных пластин – сурьму, а в отрицательных – кальций.

Легирование серебром предохраняет свинцовую основу от коррозии и снижает деформацию решеток.

Сепаратор, изготовленный из микропористого кислотостойкого материала, служит для предотвращения замыкания разноименных пластин и обеспечения запаса электролита.

Рисунок 6 – Сепаратор-конверт из полиэтилена

3. Конструкция аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея представляет собой ряд (3,6,12) последовательно соединенных аккумуляторов, помещенных в единый корпус (моноблок), изготовленный из термопластмассы.

Для соединения аккумуляторов служат межэлементные соединения. Сверху моноблок закрывается общей крышкой, образуя неразборную конструкцию. На крышке имеется два полюсных вывода (терминала) для присоединения батареи во внешнюю цепь.

Положительный вывод (терминал) больше отрицательного, для исключения возможности неправильного подключения аккумуляторной батареи.

Полюсные выводы (терминалы) помимо конструктивных отличий могут различаться расположением: прямая и обратная полярность.

Рисунок 7 – Размеры полюсных выводов

Рисунок 8 – Конструкция аккумуляторной батареи: 1 – крышка корпуса, 2 – корпус (моноблок), 3 – аккумулятор, 4 – полюсный вывод (терминал), 5 – заливная пробка, 6 – перемычка, 7 – ручка для переноски, 8 — индикатор

Рисунок 9 – Типы полюсных выводов (терминалов)

Индикатор позволяет оценить степень заряженности батареи и уровень электролита в батарее.

Рисунок 10 – Полярность аккумуляторных батарей

Зеленый цвет индикатора свидетельствует о достаточной степени заряженности батареи (>65 %) и ее исправности.

Черный цвет свидетельствует о недостаточной степени заряженности батареи (<65 %) и необходимости ее подзаряда.

Бесцветный глазок свидетельствует о слишком низком уровне электролита и необходимости замены батареи.

Рисунок 11 – Индикатор степени заряженности батареи Батареи с жидким электролитом.

Батареи с жидким электролитом оснащаются заливными пробками, имеющими вентиляционные отверстия. К достоинствам можно отнести невысокую стоимость, большое количество моделей на рынке, пригодность для установки в моторном отсеке, возможность долива электролита.

К недостаткам таких батарей относят возможность выливания электролита и повышенный расход воды.

Батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery).

Пробки ячеек не выворачиваются. Образующиеся при перезаряде водород и кислород обычно ячейки батареи не покидают и реагируют между собой с образованием воды. Подобные батареи не требуют обслуживания и пригодны для установки в моторном отсеке. К недостаткам таких батарей относят повышенную стоимость, отсутствие возможности долива электролита, высокие требования к зарядному напряжению (не более 14,4 В).

Батареи с гелеобразным электролитом.

В электролит этих батарей добавлена кремниевая кислота, превращающая его в гель. Добавление фосфорной кислоты существенно повышает их циклическую стойкость и способность к восстановлению после глубокого разряда.

К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости обслуживания, высокую циклическая стойкость, невозможность выливания электролита. Недостатками таких батарей считают высокую стоимость, непереносимость высоких температур, ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 12 – Центральная система вентиляции

Батареи типа AGM.

Так называют батареи, у которых электролит впитывается и удерживается стекломатами. Стекломаты представляют собой микропористый нетканый материал из переплетающихся между собой ультратонких стекловолокон. Стекломаты выполняют функции сепараторов. В батарею заливается только то количество электролита, которое могут впитать стекломаты. Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, хорошие пусковые свойства. Недостатки — высокая стоимость и ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 13 – Устройство батареи типа AGM

Батареи OPTIMA

Основное отличие заключается в применении технологии Optima Spiralcell® Technology: вместо пластин, используемых в обычных аккумуляторах, в батареях OPTIMA применяются «рулонные элементы» — две свитые в рулон тонкие свинцовые ленты с сепаратором из стекловолокна, содержащим кислоту.

Такая технология позволяет значительно снизить толщину свинцовых лент и на 50-100 % увеличить их активную площадь в сравнении с обычными пластинами.

Рисунок 14 – Устройство батареи OPTIMA

Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, очень хорошие пусковые свойства, сохраняют пусковые качества даже после года хранения без подзарядки. Недостатки — высокая стоимость и большая масса.

4. Маркировка аккумуляторных батарей

Рисунок 15 – Маркировка аккумуляторных батарей: 1 – обозначение типа батареи, 2 – товарный знак завода-изготовителя, 3 – номинальная емкость, А·ч, 4 – ток холодной прокрутки, А, 5 – номинальное напряжение, В, 6 – дата изготовления, 7 – масса батареи, кг, 8 – обозначение полярности, 9 – знаки безопасности, 10 – уровень электролита

Согласно ГОСТ Р 53165-2008 обозначение типа батареи включает:

  1. – цифра, указывающая число последовательно соединённых аккумуляторов в батарее (3, 6 или 12)
  2. – буквы, характеризующие назначение батареи по функциональному признаку (СТ – стартерная)
  3. – число, указывающее номинальную ёмкость батареи в ампер-часах (55)
  4. – буквы, обозначающие конструкторско-технологическое исполнение (N – с нормальным расходом воды, L – с малым расходом воды, VL – с очень малым расходом воды, VRLA – с регулирующим клапаном)

На батареи наносят символы безопасности (таблица 1).

Таблица 1 — Символы безопасности

Символ Расшифровка
Соблюдайте инструкцию
Опасно. Едкие и коррозионные вещества
Запрещается пользоваться открытым огнем и курить
Пользуйтесь защитными очками
Хранить вдали от детей
Взрывоопасно
Запрещается выбрасывать с бытовыми отходами
Символ переработки

5. Параметры автомобильных батарей

К основным параметрам автомобильных АКБ относят ЭДС, напряжение под нагрузкой, внутреннее сопротивление, номинальную и разрядную ёмкость, ток холодной прокрутки и другие.

Электродвижущая сила (ЭДС) батареи – представляет собой разность потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

Е = 6·(0,84 + ρ) (1)

где ρ — плотность электролита, приведенная к 25 °С, г/см3.

Напряжение АКБ – отличается от ЭДС на величину падения напряжения в электрической цепи при прохождении разрядного или зарядного тока:

Uр = E — Iр·(r + Rн) напряжение при разряде (2)

Uз = E + Iз·(r + Rн) напряжение при заряде (3)

где r – внутреннее сопротивление батареи, Ом; Rн – сопротивление внешней цепи, Ом.

Ёмкостью, С, аккумулятора называется максимальное количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое аккумулятор может отдать во внешнюю цепь при полном разряде до установленного конечного напряжения:

С = Iр·τр (4)

где Iр – разрядный ток, А; τр – время разряда, ч.

Номинальная разрядная ёмкость С20 (указываемая на батарее) определяется при 20-часовом режиме разряда током I = 0,05·С20 при t = 25 °C.

Разряд должен прекратиться при U = 10,5 В.

Рисунок 16 — Временные характеристики АКБ при разряде и заряде

Рисунок 17 – Типичные значения номинальной ёмкости

Резервная ёмкость RC (reserve capasity) – способность АКБ обеспечить необходимый минимум электрической нагрузки при выходе из строя генератора.

Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем и контрольно-измерительными приборами в режиме «Зима-ночь» и составляет 25 А.

Резервная ёмкость определяется временем разряда в минутах полностью заряженной батареи током 25 А до напряжения на выводах 10,5 В.

Рисунок 18 – Типичное значение резервной ёмкости

Ток холодной прокрутки ССА (cold cranking amps) – это максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при t = — 18 °С (0 °F) в течение 30 с, сохраняя напряжение на выводах не менее 7,2 В.

Внутреннее сопротивление, r, батареи составляет несколько тысячных долей Ома и увеличивается по мере ее разряда и снижения температуры электролита.

Рисунок 19 – Типичное значение тока холодной прокрутки

6. Заряд автомобильных батарей

Аккумуляторные батареи заряжают от источника постоянного тока, напряжение на выводах которого выше напряжения заряжаемой батареи.

Используют следующие методы заряда:

  • постоянной силой тока,
  • постоянным напряжением,
  • комбинированный,
  • форсированный,
  • контрольнотренировочный цикл.

Заряд при постоянной силе тока.

В этом случае заряжаемые батареи соединяются между собой последовательно и подключаются к зарядному устройству.

Сила зарядного тока в этом режиме не должна превышать:

Iз ≤ 0,1·С20 (5)

Заряд при постоянной силе тока отличается сравнительной простотой и обеспечивает полный заряд батарей.

Недостатками этого способа являются повышение температуры в конце заряда и отрицательное влияние перезаряда вследствие кипения электролита.

Заряд при постоянном напряжении.

При этом способе заряда батареи подключают непосредственно к источнику питания, напряжение которого поддерживается постоянным.

Сила зарядного тока устанавливается автоматически.

Батарею можно зарядить до 90-95 % от номинальной емкости. В этом режиме заряжаются батареи на автомобиле.

Форсированный заряд.

Для быстрого восстановления работоспособности сильно разряженной батареи проводят форсированный заряд силой тока 0,7·С20 в течение 30 минут. Применять форсированный заряд можно в исключительных случаях, так как многократное повторение такого способа заметно сокращает срок службы батареи.

Смешанный режим.

Объединяет достоинства заряда постоянным током и постоянным напряжением: первоначально батарея заряжается первым способом, а затем – вторым. Это позволяет снизить время заряда батареи (по сравнению с чисто вторым способом) и исключить неблагоприятное воздействие перезаряда (свойственное первому способу).

Контрольно-тренировочный цикл.

Данный цикл включает в себя заряд батареи током 0,1·С20, разряд батареи током 0,05·С20 и окончательный заряд силой тока 0,05·С20.

Контрольно-тренировочный цикл проводят для устранения частичной сульфатации и других неисправностей АКБ.

7. Эксплуатация аккумуляторных батарей

Эксплуатация батарей при низких температурах осложняется следующим рядом факторов:

  1. При недостаточной плотности возможно замерзание электролита (см. таблицу 2).
  2. Ухудшается процесс заряда (батарею можно зарядить только до 60-70 % от номинальной ёмкости).
  3. В результате повышения вязкости моторного масла и электролита ухудшаются условия запуска двигателя.

Эксплуатация батарей при высоких температурах осложняется по следующим причинам:

  1. Ускоряется разрушение и сульфатация пластин.
  2. Происходит интенсивное испарение воды (требуется проверка уровня электролита).

Хранение автомобильных батарей.

Хранить автомобильные батареи необходимо в неотапливаемом помещении при температуре от 0 до минус 20°С, что способствует снижению саморазряда.

Таблица 2 – Температура замерзания электролита

Напряжение, В Степень заряженности, % Плотность электролита, г/см3 Температура замерзания, °С
12,7 100 1,28 <-50
12,5 80 1,24 — 40
12,3 60 1,21 — 30
12,1 40 1,18 — 20
11,9 20 1,14 — 14
11,7 0 1,10 — 5

Саморазряд – самопроизвольная потеря заряда отключенной батареи.  Бывает нормальным и ускоренным. Интенсивность саморазряда зависит от устройства батареи и температуры окружающей среды.

При нормальном саморазряде батарея теряет 50 % заряженности за 6 месяцев – для обслуживаемых, 18 месяцев – для необслуживаемых.

Рисунок 20 – Интенсивность саморазряда АКБ

8. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Визуальный осмотр.

При проведении визуального осмотра особое внимание уделяют следующим факторам:

  1. Состояние моноблока. Поверхность моноблока притирают ветошью, смоченной в растворе кальцинированной соды или нашатырного спирта.
  2. Состояние полюсных выводов и клемм. Проверяют затяжку клемм, полюсные выводы смазывают техническим вазелином. При необходимости очищают полюсные выводы и наконечники проводов от окислов.
  3. Крепление батареи. Прижимная планка должна плотно прилегать к крепёжному выступу моноблока и заходить в фиксирующие выемки на нем.

При необходимости между ней и выступом следует установить переходную планку. Крепёжные болты следует затягивать моментом предписанной величины.

Рисунок 21 – Щетка для очистки полюсных выводов

Измерение уровня электролита.

В батареях с прозрачным корпусом имеются отметки min/max, позволяющие оценить уровень электролита. В батареях с непрозрачным корпусом уровень электролита измеряют стеклянной трубкой диаметром Ø3-5 мм. Уровень электролита должен быть на 15-20 мм выше верхнего края пластин. Если уровень электролита ниже нормы, то в батарею добавляют дистиллированную воду, а если выше – отбирают излишки с помощью груши.

Измерение плотности электролита.

Для измерения плотности электролита используют следующие приборы: ареометр, денсиметр и плотномер. Плотность электролита позволяет оценить степень заряженности батареи. Уменьшение плотности на 0,01 г/см3 соответствует уменьшению заряженности на 6 %.

Если степень заряженности батареи составляет менее 75 % — то батарею можно эксплуатировать только в летнее время года, менее 50 % — эксплуатация запрещена.

Измерение напряжения батареи.

Для измерения напряжения батареи под нагрузкой используют нагрузочные вилки. Если напряжение в конце 5-ой секунды разряда превышает U=8,9 В, то батарея исправна (не имеет внутренних дефектов).

9. Неисправности автомобильных АКБ

К числу основных неисправностей АКБ относят:

  • сульфатацию пластин,
  • повреждение полюсных выводов,
  • отстающие аккумуляторы,
  • трещины в моноблоке,
  • короткое замыкание,
  • ускоренный саморазряд.

Под сульфатацией понимают такое состояние батареи, при котором она не заряжается при пропускании нормального зарядного тока в течение установленного промежутка времени.

Внешне проявляется наличием на поверхности крупных, трудно растворимых при заряде кристаллов или сплошного слоя сульфата свинца.

Рисунок 22 — Нормальная сульфатация

Рисунок 23 – Необратимая сульфатация

Сульфатация возникает в результате несоблюдения правил обслуживания и эксплуатации АКБ.

Сульфатация характеризуется следующими признаками:

  • при заряде быстро повышается температура электролита;
  • плотность электролита при заряде практически не повышается;
  • газовыделение начинается значительно раньше;
  • при контрольном разряде ёмкость значительно меньше номинальной.

Причины сульфатации:

  • применение загрязнённого электролита;
  • длительное нахождение батарей в разряженном состоянии;
  • систематический недозаряд батарей;
  • снижение уровня электролита ниже допустимого;
  • эксплуатация батарей при недопустимо высокой температуре и плотности электролита.

Частичную сульфатацию можно устранить путем проведения контрольно-тренировочного цикла.

К числу внешних (определяемых визуально) неисправностей относят повреждения полюсных выводов и моноблока.

Трещины в моноблоке устраняют тепловой сваркой, а повреждение выводов путем наплавки.

Отстающие аккумуляторы.

Если в батарее хотя бы один аккумулятор будет разряжаться раньше остальных, то работоспособность батареи определяется именно этим, отстающим аккумулятором.

Для устранения подобной неисправности производят заряд батареи малым током в течение длительного времени (не менее 24 часов).

Короткое замыкание.

Внутренние короткие замыкание в аккумуляторах происходят между разноименными пластинами за счет заполнения наиболее крупных пор сепараторов активной массой («прорастание»).

Характерными признаками короткозамкнутого аккумулятора являются:

  • отсутствие или очень малая величина ЭДС;
  • непрерывное уменьшение плотности даже во время заряда;
  • быстрая потеря ёмкости после заряда.

Ускоренный саморазряд.

Ускоренный саморазряд вызывается следующими основными причинами:

  • наличие на поверхности батареи загрязнений, проводящих электрический ток;
  • применение воды или электролита, содержащих вредные примеси;
  • хранение батарей при повышенной температуре воздуха;
  • чрезмерная эксплуатация батареи (в режиме такси).

10. Техника безопасности при работе с АКБ

Аккумуляторные батареи являются источниками повышенной опасности. Чтобы исключить возникновение опасных ситуаций, при работе с батареями необходимо следовать указаниям, которые приведены на их корпусах и в руководстве по эксплуатации автомобиля.

Необученный персонал, например, ученики или практиканты, могут привлекаться к работам с автомобильными батареями только под присмотром специалиста: механика, мастера или электрика.

Электролит обладает разъедающим действием. При неосторожном обращении с батареями возникает опасность поражения персонала кислотой. Поэтому необходимо иметь под рукой средства, противодействующие вредным воздействиям кислоты. К таким средствам, относится, например, раствор мыла.

Вылившийся из батареи электролит может привести к поражению кожи человека и к коррозионному повреждению деталей автомобиля. Среди этих деталей могут оказаться такие, которые существенно влияют на безопасность пассажиров.

При заряде батареи и некоторое время после него из электролита выделяется взрывоопасный гремучий газ. При особых обстоятельствах ненадлежащее обращение с батареей может привести к ее взрыву.

Вблизи батарей запрещается производить работы, сопровождающиеся парообразованием. К таким работам относятся шлифование, сварка, резка и т.п. Запрещено также курение. Помимо этого, следует исключить разряды статического электричества. Например, такой разряд можно предотвратить, если снять статическое электричество касанием кузова перед соприкосновением с батареей.

Все работы с батареями следует проводить в хорошо проветриваемых помещениях, приспособленных для этой цели. При работе с кислотой необходимо использовать индивидуальные средства защиты.

К этим средствам относятся:

  • защитные очки;
  • кислотоустойчивый фартук;
  • кислотоустойчивые резиновые перчатки.

Чтобы исключить поражение глаз, защитные очки рекомендуется использовать при различных работах с батареями, например, при их транспортировке.

Если, несмотря на принятые меры предосторожности, электролит попал на кожу или в глаза, незамедлительно нужно оказать первую помощь пострадавшему.

При этом нужно срочно нейтрализовать участки одежды и кожи мыльным раствором и затем тщательно промыть их в течение нескольких минут чистой водой. Попавшие в глаза брызги необходимо вымывать чистой водой в течение не менее 10 минут.

Для этой цели можно использовать приспособление для промывки глаз, которое подключается к водопроводу с питьевой водой. Желательно иметь место для подключения к водопроводу в мастерской вблизи помещения, где производится заряд батарей. В ином случае необходимо держать емкость для промывки глаз непосредственно на рабочем месте.

Эта емкость должна быть всегда заполнена водой, которую следует регулярно контролировать и заменять по гигиеническим соображениям. После оказания первой помощи в виде интенсивного промывания глаз или кожи следует в любом случае обратиться к врачу.

Рисунок 24 – Средства индивидуальной защиты

Просмотров: 145

Как устроен аккумулятор автомобиля и как его заряжать

Запишись на первое бесплатное занятие в Москве Написать в чат WhatsАpp

Теория вождения не подразумевает просвещение в части технического оснащения автомобиля. Поэтому в этой статье мы расскажем вам о сердце авто.

Самым важнейшим элементом питания в автомобиле является аккумулятор, из которого исходит ток, который питает машину. Функций у него много, например: подача питания стартеру для запуска двигателя, либо же подача питания на неактивный двигатель. И в этой статье мы как раз обсудим устройство аккумулятора автомобиля.

На вопрос: «Сколько аккумуляторов в автомобиле ?» — ответом будет — 1. Но возможны случаи добавления дополнительной батареи.

Устройство автомобильного аккумулятора

Батарея машины состоит из 9 различных частей, объединённых одной конструкцией: основной корпус и его крышка, полюсные выводы, сама батарея аккумулятора, токоотводящие борны, разделяющие перегородки, полюсные мосты, блок электродов и сепаратор.

Основной корпус и крышка. Материал изготовления — это эбонит или же пластик, наделенный устойчивостью к кислотам. Вверху, на крышке, находятся каналы, в которые заливаются электролит и дистиллированная вода. Закрываются эти каналы с помощью определенных затычек, имеющих вентиляционные отверстия для выхода газов и паров во время активного периода использования.

Полюсные выводы. Делятся на два типа: положительные и отрицательные. Для исключения путаницы между ними, сделали специальное отличие: положительный вывод имеет больший размер относительного отрицательного. Помимо прочего, присутствует гравировка со знаком плюса и минуса для исключения ситуации перепутывания выводов.

Батарея аккумулятора состоит из 6 раздельных меньших аккумуляторов, либо же «банок». Они помещены в специальный раствор, который на 35% состоит из серной кислоты и на 65% из дистиллированной воды. Называется — электролит, и требуется для непосредственной выработке тока при взаимодействии химических элементов электролита.

Токоотводящие борны. Они прикрепляются к отрицательным и положительным полюсам выводов, для того, чтобы выводить ток наружу.

Разделяющие перегородки. Они просто служат для разграничения всех аккумуляторов, с целью ограничения их взаимодействия.

Полюсные мосты. Главная их задача заключается в герметизации соединения всех блоков аккумуляторной батареи через перегородку основания, корпуса.

Сами «банки» аккумулятора автомобиля состоят также из нескольких частей:

Блок. Он состоит из :

  • положительных электродов, которые, в свою очередь, созданы из свинцовых пластин в виде решетки, они покрыты специальной массой, состоящей из диоксидов свинца, также, все электроды подсоединены к самому полюсному мосту через специальное отверстие;
  • отрицательных электродов, состоящих также из свинцовых пластин в виде решетки, но они уже пропитаны специальной массой, которая состоит из мелкопористого свинца. Также, через специальное отверстие все электроды проведены к полюсному мосту.

Важное уточнение: то самое количество специального реагента, которое нанесено на решетчатые платины этих электродов (положительных и отрицательных) определяет одну из важнейших характеристик автомобильного аккумулятора — ёмкость, а величина площади этих самих пластин определяют количество пускового тока.

Сепаратор. По стандарту он является неким конвертом, который состоит либо из полиэтилена, либо мипласта, либо же мипора. Его главной задачей является отделение реагентов, которые взаимодействуют друг с другом в электрохимических процессах, еще, помимо всего прочего, он даёт возможность совершения диффузии электролита от первого электрода ко второму.

Важно: амперы аккумулятора автомобиля определяют его возможность и количество отдаваемого тока в течение часа, усредненный показатель — это 50-65 Ампер/час.

Виды аккумуляторов

Теперь стоит обсудить какие аккумуляторы для автомобиля бывают:

Стандартный

Этот вид является самым старым среди всех аналогов, встретить где-либо его в настоящее время будет затруднительно. Он прославился своим параметром саморазрядки и возможностью потери электролитов, вследствие чего будет нуждаться в постоянном контроле, но плюсом выделяют возможность восстановления при полном разряде.

Кальциевые

Этот тип батарей является одним из самых знаменитых и использующихся на данный период времени. В отличие от первого представителя, у этого уровень саморазрядки очень низок, а потери электролитов сведены практически к нулю, что позволяет забыть об обслуживании данной батареи до самого конца ее эксплуатации, контроль также не требуется. Но этот тип нельзя разряжать до нуля.

Гибридные

Следуя из названия можно понять, что это объединение двух вышеперечисленных видов. Следовательно: этот аккумулятор обладает свойствами и стандартной, и кальциевой батареи, что позволяет ему пережить полный разряд, но это не позволяет иметь ему высокие характеристики.

EFB

Эта батарея является кислотной и имеет высокую степень устойчивости к саморазрядке и быструю зарядку. Главным минусом выступает дорогая цена на рынке.

Определять, какие аккумуляторы лучше для автомобиля является личной задачей, так как это гибкое дело, какой-то тип подходит под определенную деятельность лучше другого.

Зарядка, способы, условия

Важно знать, как проверить аккумулятор автомобиля. Есть определенные параметры, по которым можно определить уровень заряда аккумулятора: 12.7 Ватт — 100%, 12.2 Ватт — 50%, 11.7 — 0%.

Теперь стоит обсудить, как заряжать аккумулятор автомобиля зарядным устройством. Если смотреть на зарядку батареи аккумулятора со стороны качества, то рекомендуется зарядить аккумулятор автомобиля с помощью зарядного устройства, так как им можно зарядить до 100% и настраивать определенные параметры. Но этот процесс достаточно трудоёмкий и щепетильный, поэтому многие предпочитают генераторы, ввиду автоматизации всего процесса. Вид зарядки батареи влияет на то, сколько заряжать аккумулятор автомобиля, примерное время — 9 часов.

Для зарядки стоит установить значения на устройстве в районе от 14.3 до 14.6, затем подключить и ждать конца процесса.

Правильным решением будет заряжать батарею только в тёплом помещении или среде, так как на морозе электролит может частично замерзнуть, что по препятствует зарядке аккумулятора, а если электролит полностью замерзнет, то это приведет к ухудшению его ёмкости.

Если зима относительно тёплая, и температура не падает ниже -15 градусов, тогда можно просто отсоединить минусовую клемму от батареи, тем самым замедлив процесс ее саморазрядки. Если же температура уходит в сильный минус, тогда стоит разместить аккумулятор в помещении, желательно в тёмном уголку, без попадания прямых солнечных лучшей. Температура в этом месте не должна падать ниже минус 3-5 градусов, желательно выше. Влажность воздуха помещения должна быть на среднем уровне, ни в ком случае не на высоком, также рекомендуется регулярное проветривание.

Так же важно знать, как завести автомобиль, если сел аккумулятор. Выжимаем сцепление, переключившись на 3 передачу, когда вы наберете скорость примерно 15км/ч стоит медленно отпустить педаль.

Обслуживание

  • Среди всех видов обслуживания аккумуляторных батарей выделяют несколько процедур:
  • Проверка качества, состояния и уровня электролита батареи (как в вытянутом состоянии, так и в самом автомобиле)
  • Осмотр внешней оболочки, выявление внешних повреждений
  • Проверка напряжённости выводов аккумулятора автомобиля в отключённом от машины состоянии
  • Проверка напряжения аккумулятора автомобиля при присоединённом и активированном состоянии

Аккумулятор автомобиля — важная часть во всём сложном механизме под названием «автомобиль». Без него не функционируют стандартные и необходимые для эксплуатации машины функции. И для того, чтобы продлить срок службы этой детали, соблюдайте требования, являющиеся обязательными к исполнению для нормальной жизнедеятельности.

Если вы запланировали обучение в автошколе, то данная статья вам будет полезна, так как основы устройства автомобиля необходимо знать каждому водителю.

принцип работы аккумуляторной батареи, устройство АКБ автомобиля, типы устройств

Независимые элементы питания сейчас стали одними из наиболее востребованных устройств, изобретённых людьми. Конструкция большинства гаджетов и их назначение часто предполагает отсутствие непрерывного доступа к электросети, поэтому и стали необходимыми такие устройства, как аккумуляторы. Они дают возможность пользоваться нужными приборами в любых требуемых условиях.

Содержание

  1. Что называют аккумулятором
  2. Разряд элемента питания
  3. Цикл заряда батареи
  4. Типы соединения аккумуляторов
  5. Параллельное соединение
  6. Последовательный способ
  7. Типы источников тока
  8. Основные характеристики
  9. Устройство электродов
  10. Проводящее вещество
  11. Области применения АКБ

Что называют аккумулятором

Аккумулятором в самом общем значении этого понятия называется техническое приспособление, которое используется для накопления какого-либо вида энергии с целью её последующей равномерной отдачи в течение достаточно длительного периода времени (в отличие от конденсатора, который отдаёт накопленный заряд моментально). Конденсатор сохраняет непосредственно электрический заряд, в отличие от аккумулятора, который при зарядке преобразует электрическую энергию в энергию химической реакции, а когда будет работать под нагрузкой, превратит накопленную химическую энергию в электрическую.

Принцип работы аккумуляторной батареи заключается в том, что постоянно происходит химическая реакция между жидкостью-электролитом и металлическими пластинами-электродами. Единичные аккумуляторы очень слабы и не могут давать ток, достаточный для работы большинства устройств. Поэтому чаще всего они объединяются в аккумуляторные батареи, в которых используется последовательное или параллельное соединение отдельных элементов питания.

Разряд элемента питания

Конструкция подобных источников питания предполагает наличие двух клемм: плюса и минуса. Их работа происходит таким образом: при отсутствии нагрузки электрическая цепь разомкнута, а при подключении к полюсам какого-либо устройства цепь замыкается и начинается разрядка АКБ. Ток разряда, протекающий по батарее в таких условиях, возникает за счёт перемещения между электродами ионов: анионов и катионов.

Более подробно процесс разрядки батареи удобнее всего будет рассмотреть на конкретном примере. Катод (положительный электрод в источнике тока) состоит из гидрата закиси никеля, в который для улучшения проводимости добавляется графитовый порошок.

Для изготовления анода (отрицательного электрода) в батареях такого типа применяются железные сетки с губчатым кадмием. Электролитом в таком устройстве будет смесь гидроксидов калия и лития. Оксид-гидроксид никеля в таком щелочном источнике питания вступает в химическое взаимодействие с атомами кадмия и молекулами воды. В результате такой реакции образуются гидроксиды кадмия и лития, а также выделяется электроэнергия.

Цикл заряда батареи

Для начала зарядки от клемм аккумулятора необходимо отключить нагрузку. На свободные клеммы батареи подаётся постоянный ток со значением напряжения большим, чем выходное напряжение заряжаемого устройства.

При осуществлении зарядки следует строго соблюдать полярность, то есть должны совпадать положительные и отрицательные контакты батареи и зарядного устройства. Важно учитывать, что устройство для зарядки необходимо выбирать с большей мощностью, чем сам аккумулятор, для того, чтобы преодолевать сопротивление оставшейся в нём энергии и производить электрический ток с направлением, противоположным току разряда. В результате обратимые химические реакции, протекающие в АКБ, поменяют своё направление.

Для рассмотрения примера можно взять также никель-кадмиевую батарею. В реакцию вступают гидроксиды кадмия и никеля, образовавшиеся при цикле разряда. Продуктами этой реакции будут оксид-гидроксид никеля, вода и восстановленный кадмий.

Из всего вышесказанного следует, что во время рабочего цикла меняется только химический состав электродов. Электролит лишь создаёт требуемую для протекания реакций среду. С течением времени он может испаряться, что не самым лучшим образом скажется на продолжительности работы батареи. Рассмотренный принцип работы верен для любого типа аккумуляторов, будет изменяться только химический состав электродов и электролита.

Типы соединения аккумуляторов

Отдельные аккумулирующие элементы позволяют получать малые напряжение и силу тока. Например, чаще всего значение напряжения будет находиться в пределах 1−2 вольта. Для работы большинства устройств таких значений явно недостаточно. Чтобы повысить получаемое напряжение или силу тока, нужно устроить соединение аккумуляторов в батарею. Нужно подробнее остановиться на описании этих способов.

Параллельное соединение

Для соединения аккумулирующих элементов в батарею или нескольких АКБ требуется соединять их положительные клеммы с положительными, а отрицательные с отрицательными. К нагрузке присоединяются соединённые выводы всех элементов. При таком способе соединения напряжение в цепи будет таким же, как у каждой батареи по отдельности (если использовать батареи с одинаковым напряжением). А ёмкость станет равна сумме ёмкостей всех входящих в батарею элементов. Соответственно, вырастет и сила тока, которую такое устройство будет способно давать за определённый период до полной разрядки.

Последовательный способ

При использовании последовательного способа соединения АКБ следует связывать разнополярные контакты. Положительную клемму одного устройства соединяют с отрицательной клеммой другого, а электрическая схема подключается к свободным контактам первой и последней батарей. Итоговое выходное напряжение при применении такого вида соединения будет равняться сумме выходных напряжений всех задействованных источников электрического тока.

Например, чтобы получить АКБ с выходным напряжением двенадцать вольт, следует соединить последовательно четыре источника с напряжением три вольта или десяток аккумуляторов с выходным напряжением 1,2 вольта. Общая ёмкость собранных при помощи последовательного соединения АКБ будет равна ёмкости каждого аккумулятора по отдельности, то есть не изменится.

Типы источников тока

АКБ различаются по своему предназначению, характеристикам, тому как устроен аккумулятор и материалам, используемым при их изготовлении. На сегодняшний день в мире производится более трёх десятков типов различных аккумуляторов, основное различие между которыми заключается в химическом составе электродов, а также используемым видом электролита. Так, к примеру, в группу литий-ионных аккумуляторов входит двенадцать различных моделей. Наиболее популярными из всех производимых являются следующие типы:

  • свинцово-кислотные;
  • литиевые;
  • никель-кадмиевые.

На них приходится значительная часть рынка элементов питания. Для лучшего представления о том, из каких материалов могут изготавливаться современные аккумуляторы стоит привести их полный список:

  • железо;
  • свинец;
  • титан;
  • литий;
  • кадмий;
  • кобальт;
  • никель;
  • цинк;
  • ванадий;
  • серебро;
  • алюминий;
  • целый ряд прочих металлов, которые, правда, используются крайне редко.

Применение при производстве различных материалов оказывает значительное влияние на итоговые эксплуатационные показатели и, как следствие, на область возможного использования. Например, литий-ионные АКБ часто устанавливаются в мобильные компьютеры и другие гаджеты.

В то время как никель-кадмиевые аккумуляторы в основном используются как альтернатива простым одноразовым батарейкам. В теории аккумуляторные батареи любого типа могут сочетаться с любым устройством. Дело лишь в целесообразности и себестоимости производства.

Основные характеристики

Выше были рассмотрены материалы, применяющиеся при изготовлении перезаряжаемых элементов питания, основные принципы их работы и способы соединения. Теперь можно перейти к их эксплуатационным качествам. Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются:

  • Плотность энергии АКБ. Этот показатель равен отношению полного количества электроэнергии, которую аккумулятор способен отдать, к его массе или объёму.
  • Ёмкостью называют максимальный отдаваемый аккумулятором заряд во течение цикла разрядки, до достижения минимального значения напряжения на клеммах. В метрической системе такая величина выражается в кулонах (Кл), но в повседневной жизни гораздо чаще применяется внесистемная единица ампер-час (Ah) или, для слабых элементов питания миллиампер-час. Также в некоторых случаях может использоваться показатель, называемый энергетической ёмкостью. Он выражается в джоулях (система СИ) или в ватт-часах. Ёмкость показывает прибор какой мощности и в течение какого времени может питаться от конкретной АКБ.
  • Температурный режим — диапазон значений температуры окружающей среды, в котором производитель рекомендует использование этого аккумулятора. При значительном отклонении от рекомендуемого изготовителем диапазона эксплуатационных температур, сильно возрастает вероятность того, что источник питания придёт в негодность. Это можно объяснить влиянием пониженных и повышенных температур на скорость течения химических реакций, а также на изменение давления внутри батареи.
  • Саморазрядом АКБ называют потерю заряда, происходящую в заряженной батарее, при условии отсутствия нагрузки, подключённой к контактам. Величина этого показателя определяется, в основном, конструкцией батареи. Она может со временем возрастать из-за нарушения изоляции межу электродами по целому ряду причин.

Все эти параметры аккумуляторных батарей предоставляют наибольший интерес для конечного пользователя.

Устройство электродов

В качестве примера можно использовать свинцово-кислотную батарею. Каждая ячейка такого аккумулятора содержит пару электродов и разделительные пластины, которые изготовляются из пористого материала, не вступающего в химическое взаимодействие с кислотой. Такие пластины призваны препятствовать короткому замыканию погруженных в электролит электродов, и называются сепараторами.

Электроды в таких аккумуляторах выполняются в виде плоских свинцовых решёток. В ячейки таких решёток запрессовывается порошкообразная двуокись свинца (в пластинах-анодах) и металлический свинец в порошковой форме (в пластинах-катодах). Применение порошков обусловлено стремлением увеличить площадь поверхности раздела на границе электролит — электрод, что значительно повышает ёмкость такого источника тока.

Имеются экспериментальные образцы аккумуляторов, в которых свинцовые решётки замешены электродами, состоящими из сплетённых нитей углеволокна, которые покрываются тончайшим свинцовым напылением. Такая технология позволяет использовать значительно меньше свинца за счёт распределения его по большой площади, что делает аккумуляторную батарею не только миниатюрнее и легче, но и повышает её эффективность. КПД выше, чем у традиционных, а время зарядки сильно снижено.

Проводящее вещество

Пластины электродов и сепараторов опущены в электролит, в качестве которого в свинцово-кислотных аккумуляторах используется серная кислота, разведённая дистиллированной водой. Такая вода применяется для приготовления раствора потому, что она не оказывает влияния на кислотность среды. Проводимость получаемого таким образом раствора зависит лишь от концентрации серной кислоты и комнатных условиях будет максимальной при значении плотности жидкости-электролита в 1,23 грамма на кубический сантиметр.

Проводимость электролита обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению источника питания, и, соответственно, повышение проводимости снижает потери энергии и увеличивает КПД. Стоит отметить, что в областях холодного климата часто используют повышенные до 1,29−1,31 грамма на кубический сантиметр концентрации серной кислоты. Это делается для предотвращения замерзания электролита. Ведь образующийся лёд может повредить корпус аккумулятора.

В батареях, которые устанавливаются в бытовые источники бесперебойного питания, системы сигнализации и другие бытовые приборы, жидкий электролит иногда сгущается до состояния пасты раствором силиката натрия. Но принцип работы АКБ остаётся тем же.

Области применения АКБ

Аккумуляторные батареи получили широчайшее распространение во всех видах технических устройств. Без них не обходится ни одно портативное электронное устройство: от наручных часов до ноутбуков. Даже в простых электрических фонарях производители предпочитают использовать встроенные АКБ вместо сменных элементов питания.

Не стали исключением и автомобили. В машинах привычных конструкций автомобильный аккумулятор используется для запуска двигателя и бесперебойного питания бортовой электрики и электроники. В набирающих всё большую популярность гибридных и электромобилях аккумуляторы играют ещё более важную роль. Причём в этом случае требования, предъявляемые к устройству АКБ автомобиля, ещё выше.

Крайне важны такие параметры: ток запуска, глубина разряда и максимальное количество циклов перезарядки, которое способен выдержать аккумулятор. Можно смело утверждать, что современный образ жизни был бы невозможен без аккумуляторных батарей.

Устройство автомобильной аккумуляторной батареи. Недостатки и преимущества конструкции аккумулятора автомобиля

Авторы: Ли Владислав Висарионович, Шиповалов Денис Александрович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №11 (115) июнь-1 2016 г.

Дата публикации: 02.06.2016 2016-06-02

Статья просмотрена: 1061 раз

Скачать электронную версию

Скачать Часть 4 (pdf)

Библиографическое описание:

Ли, В. В. Устройство автомобильной аккумуляторной батареи. Недостатки и преимущества конструкции аккумулятора автомобиля / В. В. Ли, Д. А. Шиповалов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 11 (115). — С. 409-411. — URL: https://moluch.ru/archive/115/31030/ (дата обращения: 21.09.2022).



Автомобильный аккумулятор (точнее — автомобильная аккумуляторная батарея [сокр. автомобильная АКБ]) — тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Используется в качестве вспомогательного источника электроэнергии в бортовой сети при неработающем двигателе и для запуска двигателя. Аккумулятор работает благодаря тому, что два различных металла, находясь в кислотном растворе, вырабатывают электричество.

Назначение.

Автомобильный аккумулятор выполняет три функции:

− он запускает двигатель,

− он питает некоторые электрические устройства, например, габаритные или стояночные огни, сигнализацию и телефон, когда двигатель не работает.

− он «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой или вышел из строя.

Для автомобиля аккумуляторную батарею можно назвать вторым сердцем. Его значимость для нормальной работы так же велика, как и сам двигатель. В современном автомобильном мире осуществлялись попытки заменить аккумулятор пневматическими устройствами пуска мотора, конденсаторными накопителями, но безрезультатно. До сих пор широко используется только три типа электрических аккумуляторов:

− свинцово-кислотный;

− литий-ионный;

− безламельный железоникелевый.

Сегодняшний уровень технического развития дал возможность фирмам автопроизводителям использовать наиболее совершенные и качественные аккумуляторы — необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля имеет характерные особенности, дающие приятную возможность потребителям уделять данной батарее минимум внимания.

Стоит обозначить, что необслуживаемый аккумулятор — это современный источник энергии, который в своем устройстве не предполагает и не имеет специальных отверстий для доливания воды или электролита, корпус данных батарей полностью герметичен.

Особенности конструкция АКБ.

Современные аккумуляторы могут иметь радиальную конструкцию решетки пластин. Пластины изготавливаются методом непрерывного литья, однако в последнее время начали применяться технологии изготовления решеток методом выдавливания ячеек из цельного листа проката, что сохраняет химическую структуру исходного материала. В качестве материала решетки пластин все более широкое распространение получают сплавы свинца с серебром. При этом увеличивается прочность пластин, а их масса и толщина снижаются до 30 %, а срок службы увеличивается на 20 %. В каждую банку аккумулятора можно установить больше пластин изготовленных по технологии выдавливания, а значит увеличить ее емкость при относительно небольших габаритах батареи. Для исключения внутреннего замыкания пластин внутри аккумулятора применяются сепараторы со стеклотканью, выполненные в виде конверта. Такие сепараторы удерживают активную массу пластин от высыпания и вибраций. Для уменьшения загустевания электролита при низких температурах приводящего к снижению проводимости, увеличению внутреннего сопротивления в электролит добавляются различные модификаторы. Одной из частых причин выхода из строя аккумуляторов является короткое замыкание нижней части пластин, вызванное осыпанием активной массы из решеток. Конструкторы обошли этот недостаток тем, что поместили пластины в сепараторы из пористого материала, выполненные в виде почтовых конвертов с запаянными нижними краями. При осыпании массы она остается на дне сепаратора и короткого замыкания с соседней пластиной произойти не может. Кроме конвертируемых пластин могут применяться сепараторы, которые имеют стекловолокнистые слои в целях обеспечения дополнительной защитой положительной массы от осыпания.

Достоинства недостатки различных типов АКБ.

Достоинства свинцово-кислотных батарей:

− дешевизна и простота производства — по стоимости 1 Вт * ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

− отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;

− малый саморазряд — самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов;

− низкие требования по обслуживанию — отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;

− допустимы высокие токи разряда.

Недостатки свинцово-кислотных батарей:

− не допускается хранение в разряженном состоянии;

− низкая энергетическая плотность — большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

− допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

− кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

При неправильном заряде возможен перегрев. Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

Обычные обслуживаемые и малообслуживаемые АКБ для поддержания работоспособности требуют постоянного контроля за уровнем электролита, выполнение «дозарядки», долива дистиллированной воды. При невыполнении данных действий батарея быстро приходит в непригодность. Аккумуляторные батареи, не требующие ухода, герметично запаяны, благодаря чему расход воды во время их эксплуатации чрезвычайно мал.

Преимущества необслуживаемых автомобильных аккумуляторов

Учитывая технические особенности не требующих обслуживания источников питания, можно выделить ряд их положительных сторон:

− из обслуживания требуют лишь выполнения периодической подзарядки;

− способны функционировать в любом положении;

− обеспечивают выработку высокого стартового тока;

− при соблюдении условий эксплуатации могут служить длительное время.

Литература:

  1. http://mashintop.ru/articles.php?id=2558
  2. Аккумуляторы. Хрусталев Д. А., 2003.
  3. Войнаровский П. Д. Электрические аккумуляторы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
  4. Аккумуляторы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
  5. http://mondeoclub.ru/remont/vubor_akb.php

Основные термины (генерируются автоматически): батарея, автомобильный аккумулятор, аккумулятор, короткое замыкание, энергетическая плотность.

Похожие статьи

Литий-ионные

аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность

Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении

Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]…

Обзор методов оценки заряженности стартерных…

Рис. 2. Измерение плотности электролита: 1 — Аккумуляторная батарея; 2 — ареометр.

На автомобильном транспорте используются следующие способы определения степени заряженности аккумуляторных батарей

Расчет емкости

аккумуляторных батарей | Статья в журнале…

Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея.

Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея.

Развитие технологий накопления электрической

энергии

Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи.

Затем производится режим короткого замыкания.

4. Применение. Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых…

Hybrid power generation using solar and wind

energy

Renewable energy sources have become a popular alternative electrical energy source where power generation in conventional ways is not practical. Now a day’s electricity is most needed facility for the human being. All the conventional energy resources are depleting day by day.

Надёжный

аккумуляторный резерв систем железнодорожной…

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи: при 6 аккумуляторах-12 В; при 7 аккумуляторах-14 В. РТА может работать с

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд. ..

Неисправности

батарей статических конденсаторов, возникающих…

Батареи статических конденсаторов (БСК) одно из средств компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности (cosϕ) в электрических сетях.

Короткое замыкание компонентов конденсатора происходит из-за пробоев отдельных емкостей.

Аккумуляторы тепловой энергии и их применение

Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы.

Литий-ионные

аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность

Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении

Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]. ..

Обзор методов оценки заряженности стартерных…

Рис. 2. Измерение плотности электролита: 1 — Аккумуляторная батарея; 2 — ареометр.

На автомобильном транспорте используются следующие способы определения степени заряженности аккумуляторных батарей

Расчет емкости

аккумуляторных батарей | Статья в журнале…

Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея.

Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея.

Развитие технологий накопления электрической

энергии

Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи.

Затем производится режим короткого замыкания.

4. Применение. Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых…

Hybrid power generation using solar and wind

energy

Renewable energy sources have become a popular alternative electrical energy source where power generation in conventional ways is not practical. Now a day’s electricity is most needed facility for the human being. All the conventional energy resources are depleting day by day.

Надёжный

аккумуляторный резерв систем железнодорожной…

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи: при 6 аккумуляторах-12 В; при 7 аккумуляторах-14 В. РТА может работать с

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд. ..

Неисправности

батарей статических конденсаторов, возникающих…

Батареи статических конденсаторов (БСК) одно из средств компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности (cosϕ) в электрических сетях.

Короткое замыкание компонентов конденсатора происходит из-за пробоев отдельных емкостей.

Аккумуляторы тепловой энергии и их применение

Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы.

Похожие статьи

Литий-ионные

аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность

Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении

Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]. ..

Обзор методов оценки заряженности стартерных…

Рис. 2. Измерение плотности электролита: 1 — Аккумуляторная батарея; 2 — ареометр.

На автомобильном транспорте используются следующие способы определения степени заряженности аккумуляторных батарей

Расчет емкости

аккумуляторных батарей | Статья в журнале…

Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея.

Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея.

Развитие технологий накопления электрической

энергии

Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи.

Затем производится режим короткого замыкания.

4. Применение. Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых…

Hybrid power generation using solar and wind

energy

Renewable energy sources have become a popular alternative electrical energy source where power generation in conventional ways is not practical. Now a day’s electricity is most needed facility for the human being. All the conventional energy resources are depleting day by day.

Надёжный

аккумуляторный резерв систем железнодорожной…

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи: при 6 аккумуляторах-12 В; при 7 аккумуляторах-14 В. РТА может работать с

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд. ..

Неисправности

батарей статических конденсаторов, возникающих…

Батареи статических конденсаторов (БСК) одно из средств компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности (cosϕ) в электрических сетях.

Короткое замыкание компонентов конденсатора происходит из-за пробоев отдельных емкостей.

Аккумуляторы тепловой энергии и их применение

Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы.

Литий-ионные

аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность

Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении

Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]. ..

Обзор методов оценки заряженности стартерных…

Рис. 2. Измерение плотности электролита: 1 — Аккумуляторная батарея; 2 — ареометр.

На автомобильном транспорте используются следующие способы определения степени заряженности аккумуляторных батарей

Расчет емкости

аккумуляторных батарей | Статья в журнале…

Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея.

Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея.

Развитие технологий накопления электрической

энергии

Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи.

Затем производится режим короткого замыкания.

4. Применение. Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых…

Hybrid power generation using solar and wind

energy

Renewable energy sources have become a popular alternative electrical energy source where power generation in conventional ways is not practical. Now a day’s electricity is most needed facility for the human being. All the conventional energy resources are depleting day by day.

Надёжный

аккумуляторный резерв систем железнодорожной…

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи: при 6 аккумуляторах-12 В; при 7 аккумуляторах-14 В. РТА может работать с

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд. ..

Неисправности

батарей статических конденсаторов, возникающих…

Батареи статических конденсаторов (БСК) одно из средств компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности (cosϕ) в электрических сетях.

Короткое замыкание компонентов конденсатора происходит из-за пробоев отдельных емкостей.

Аккумуляторы тепловой энергии и их применение

Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы.

Конструкция и принцип действия аккумуляторной батареи, её варианты и показатели

Автомобильная аккумуляторная батарея — электрохимическое устройство, которое по мере необходимости может подавать ток, достаточный для работы электрических систем, установленных на автомобилях. Все автомобильные аккумуляторные батареи представляют собой батареи вторичного типа, это значит, что их можно перезаряжать после разрядки. Первичный элемент, как, например, батарея типа АА, используемая для питания простого фонарика, является одноразовым: после разрядки его невозможно перезарядить.

Важно отметить, что батарея не накапливает электричество. Аккумуляторная батарея представляет собой устройство для хранения химических веществ, обладающее потенциалом для производства электрического тока. Когда она находится в заряженном состоянии и подключена к цепи, в ней происходит химическая реакция, при которой вырабатывается электрический ток.

Конструкция и принцип действия аккумулятора

Стандартный шестиэлементный автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор заливного типа в разрезе

12-вольтовый автомобильный аккумулятор состоит из шести отдельных элементов, соединенных в блоки и расположенных между двумя внешними электродами (положительным и отрицательным), как показано на рисунке.

Простой одиночный элемент аккумуляторной батареи состоит из двух электродов из разных материалов, погруженных в раствор, называемый электролитом. В стандартном автомобильном аккумуляторе активный материал положительного электрода производится из двуокиси свинца (РЬО2), а отрицательного электрода — из губчатого свинца (РЬ). Оба электрода погружаются в раствор разбавленной серной кислоты, и получается элемент аккумуляторной батареи, как показано на рисунке.

Циклический заряд-разряд

Процесс разрядки и зарядки батареи называется “перезарядкой батареи“ и происходит непрерывно. Например, при запуске двигателя происходит частичная разрядка батареи, а затем батарея заряжается от генератора.

Глубокий разряд

Глубокий разряд — это состояние, когда батарея полностью разряжается перед зарядкой, например, как в случае аккумуляторов, используемых на электрокарах для гольфа или развозки молока. Стандартные автомобильные аккумуляторы заливного типа не предназначены для работы в режиме глубокого разряда, и каждый раз, когда батарея разряжается до такого состояния, ее срок службы будет сокращаться. для работы в условиях избыточного тепла, производимого при зарядке глубоко разряженной батареи, используются внутренние электродные пластины с повышенными эксплуатационными характеристиками; элементы обычной батареи в таких условиях деформируются и сцепляются внутри блока.

Конструкция аккумуляторной батареи и ее варианты

Аккумуляторная батарея состоит из нескольких пластин. Эти пластины служат проводником тока между областью химической реакции внутри батареи и клеммным соединением. Пластина выполнена в форме сетки, на которую нанесены активные материалы — двуокись свинца (положительная пластина) и губчатый свинец (отрицательная пластина), которые образуют отдельные химические источники тока.

Пластины разделяет пористый изолятор, через который может проходить электролит, но который не позволяет положительной и отрицательной пластинам соприкасаться и создавать короткое замыкание.

Сами пластины изготовлены из свинцового сплава, характеристики которого выбираются в соответствии с конструкцией и областью применения батареи.

С появлением новых технологий в автомобилестроении возникла потребность в батареях, которые могли бы работать в режиме регулярных циклов разрядки и быстрой зарядки. Для таких областей применения больше подходят аккумуляторные батареи с абсорбирующими перегородками из стеклянного микроволокна (AGM) или гелевые аккумуляторные батареи.

Стекловатные маты или электролитический гель заполняет пространство между пластинами батареи, заменяя жидкий электролит. Увеличенная площадь пластин обеспечивает более низкое общее сопротивление аккумуляторной батареи. Благодаря этому батарея заряжается быстрее, и при необходимости дает более высокий ток.

Эти аккумуляторные батареи также осуществляют рекомбинацию газов, т.е. все газы, которые образуются при зарядке и разрядке, остаются внутри батареи и возвращаются в химическую реакцию. За счет этого аккумуляторные батареи не требуют обслуживания.

Аккумуляторы AGM нельзя заряжать напряжением выше 14,8В. Это приведет к их повреждению.

При зарядке любой аккумуляторной батареи следует использовать только специально предназначенное зарядное устройство с соответствующими типу батареи характеристиками.

Если шесть элементов аккумулятора соединены вместе в блоки, то общее напряжение на клеммном выводе можно подсчитать как сумму напряжений всех элементов.

Общее напряжение элементов автомобильного аккумулятора

 

2.1V+2.1V+2.1V+2.1V+2.1V+2.1V=12.6V

Каждый элемент аккумуляторной батареи производит ток немного большего напряжения, чем 2,1 В, и соответственно, значение может быть больше 12,6В.

Удельная плотность электролита

Наряду с проверкой напряжения разомкнутой цепи батареи, необходимо провести точное измерение уровня заряда батареи, для этого следует проверить удельную плотность электролита в каждом отдельном элементе аккумуляторной батареи. Мы знаем, что для того чтобы внутри батареи происходила химическая реакция, каждый элемент погружается в электролитический раствор серной кислоты. Фактически, чуть более трети раствора составляет серная кислота, остальное — деионизированная вода.

Удельная плотность — это плотность электролита в сравнении с плотностью воды, измеренная с помощью ареометра. Удельная плотность раствора (электролита) является точной мерой содержания в нем серной кислоты, и, соответственно, его концентрации — и уровня заряда батареи

Удельную плотность батарей AGM/гелиевых аккумуляторов проверить невозможно, поскольку элементы герметичны.

По мере расходования электрического тока электропотребителями, насыщенность раствора электролита становится слабее, и оба электрода батареи сульфатируются. Таким образом, концентрация кислоты в электролите четко определяет уровень заряда батареи, поскольку чем кислота слабее, тем слабее заряд.

Визуальный индикатор

Некоторые аккумуляторные батареи, не требующие обслуживания, оснащены ареометром для быстрой проверки состояния и уровня заряда батареи.

Основные показатели аккумуляторной батареи

 

На табличке батареи приводится стандартный набор данных — выходные характеристики и емкость батареи в соответствии со стандартом Международного совета по аккумуляторным батареям. Помимо этого, некоторые герметичные батареи (AGM) оснащены смотровым индикатором для определения состояния батареи.

ССА — Ток холодного пуска

Особой характеристикой является сила тока, которую может обеспечивать батарея в течение одной минуты при температуре окружающей среды, указанной в скобках после CCA, без перепада напряжения на клеммах ниже 7,2 В.

Номинальная характеристика очень важна, поскольку она определяет, может ли батарея, установленная в автомобиле, запустить двигатель в холодную погоду. Для дизельного двигателя требуется батарея с большим током холодного пуска, поскольку для запуска такого двигателя требуется увеличенное усилие по причине более высокой степени сжатия.

СА — Ток пуска

На некоторых батареях указывается также ток пуска, но этот параметр нельзя путать с током холодного пуска. Батарее проще работать при более высокой температуре среды, поэтому значение этой характеристики должно быть выше ССА.

RC — Резервная емкость

Эта характеристика определяет период времени, в течение которого можно будет продолжить поездку после выхода системы зарядки из строя. Этот показатель измеряется при наличии нагрузки в 25 А при температуре среды 26,7С, пока напряжение между клеммами не снизится до 10,5 В. Батарея с показателем RC, равным 195 мин., означает, что батарея сможет запускать автомобиль в течение 195 минут.

Ah — Ампер-часы

Емкость батареи в ампер-часах (Ач), обеспечивающая стабильный ток в течение 20 часов при температуре 26,7С. Например, аккумулятор, который может подавать ток 4 А в течение 20 часов, будет иметь номинальную характеристику 80 Ач.

Опубликовано 6 апр 2019 — 16:04 пользователем Иван

Читайте так же

Демонтаж переднего бампера Range Rover Evoque 2011-2018

Жидкое стекло

Подготовка автомобиля к зиме

Виды износа шин и его причины

Защита салона автомобиля от нагревания солнцем

Скрытые функции ESP

Как правильно прогревать коробку передач зимой

Как снять задний бампер Range Rover Evoque 2011-2018?

Химия аккумуляторов — Дизайн аккумуляторов

Основы химии аккумуляторов или, точнее, электрохимия. Это катод, анод и электролит. Что это такое, кто их производит, что будет дальше в плане развития, каковы последние исследования и каковы плюсы и минусы каждого из них.

Основные химические вещества:

Алюминий Воздух

Высокая плотность энергии и низкая стоимость. Алюминиевый анод и воздушный катод вместе с водным электролитом вырабатывают энергию за счет окисления алюминия кислородом воздуха. Однако серьезной проблемой является коррозия алюминиевого анода, что снижает емкость и сокращает календарный срок службы.

Ион алюминия

Металлический алюминиевый анод может обмениваться тремя электронами во время электрохимического процесса, следовательно, может обеспечивать высокую теоретически высокую объемную и гравиметрическую емкость. Однако требуется разработка анода, катода и электролита, прежде чем этот тип элемента сможет использовать высокую плотность энергии со стабильностью в течение срока службы циклов.

Dual-Ion

Аккумуляторная технология, предлагающая недорогое решение для сетевого хранения. Катионы и анионы участвуют в процессах интеркаляции и деинтеркаляции с использованием графита в качестве материала катода и анода.

Fluoride-Ion

Рассматривается как замена литиевой и, возможно, постлитиевой технологии с «до 7-кратным увеличением Втч/кг» текущей литиевой технологии.

Свинцово-кислотный

Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой аккумулятор с электродами из оксида свинца и металлического свинца, которые разделены электролитом из серной кислоты. Энергоемкость 40-60 Втч/кг.

Lithium Air

Обещанная ионно-литиевая технология с непревзойденной плотностью энергии. Однако, несмотря на то, что было предпринято огромное количество научных усилий для понимания химии и реакций, на данном этапе она еще недостаточно развита, чтобы превратиться в работоспособную батарею. Во всяком случае, акцент сместился на твердотельные литий-ионные аккумуляторы.

Литий-ионный

В перезаряжаемой ионно-литиевой батарее ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разрядки и обратно при зарядке. Текущие производственные ячейки имеют плотность энергии ~ 280 Втч / кг.

Катод представляет собой оксид лития из переходного металла, например марганец или кобальт, или комбинацию переходных металлов: LCO, LMO, NCA, NMC, LFP, LMFP. Анод обычно представляет собой материал на основе графита, который может интеркалировать или выделять литий, он может содержать процент кремния для увеличения емкости. В качестве альтернативы анодом может быть титанат лития (LTO).

Lithium Sulfur

Возможно, наиболее зрелый химический состав литий-ионных аккумуляторов с потенциальной плотностью энергии >600 Втч/кг. Также с возможностью существенного снижения затрат и повышения безопасности. Тем не менее, ряд проблем означает, что срок службы цикла был плохим. Поэтому потенциал привлекает внимание и столь необходимые исследования на этапе фундаментальной химии.

Magnesium-Ion

Функция очень похожа на литий-ионные батареи, сравнимая плотность энергии с литий-ионными батареями, а также потенциал для улучшения, поскольку на каждый отдельный ион магния приходится вдвое больше электронов. Магния больше, чем лития. Однако возможных побочных реакций с ионом магния намного больше.

Никель-кадмий

Перезаряжаемая батарея, в которой в качестве электродов используется гидроксид оксида никеля и металлический кадмий.

Никель-металлогидридный аккумулятор

Никель-металлогидридный аккумулятор имеет катод из гидроксида никеля, анод из гидрида металла (используются различные металлические сплавы) и электролит на основе водного раствора гидроксида калия. Это химия перезаряжаемой батареи, которая была заменена ионно-литиевой, но нашла широкое применение в гибридах Toyota. Плотность энергии 40-110 Втч/кг на уровне ячейки.

Ион калия

Потенциал может быть недорогой химией, основанной на хранении, но большое большое изменение ~60% графита с введением ионов К создает высокую нагрузку на решетку и, таким образом, ограничивает циклирование. Развитие технологий отстает от аккумуляторов на основе лития и натрий-иона.

Натрий-ион

Аналогичен литий-ионному аккумулятору, но с использованием ионов натрия (Na+) в качестве носителей заряда. Работа химического состава на основе натрия и конструкция элемента почти идентичны работе коммерчески распространенных типов литий-ионных аккумуляторов, но вместо соединений лития используются соединения натрия.

Твердотельный

Любая аккумуляторная технология, в которой используются твердые электроды и твердый электролит. Это предлагает потенциальные улучшения плотности энергии и безопасности, но имеет очень серьезные проблемы с цикличностью, производством и долговечностью твердого сэндвича.

Цинк-Воздух

Пожалуй, самая многообещающая технология металл-воздушных батарей. Обычно он имеет цинковый анод, проницаемый для кислорода катод, сепаратор и едкий щелочной электролит. Перспективная низкая стоимость, высокая стабильность и высокая плотность энергии.

Ссылки
  1. Jianmin Ma et al, «Дорожная карта аккумуляторных технологий на 2021 год» , 2021 J. Phys. Д: заявл. физ. 54 183001

Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей | Новости Массачусетского технологического института

Настоятельная необходимость сократить выбросы углерода побуждает к быстрому переходу к электрифицированной мобильности и расширенному использованию солнечной и ветровой энергии в электрической сети. Если эти тенденции будут усиливаться, как ожидается, потребность в более совершенных методах хранения электроэнергии возрастет.

«Нам нужны все стратегии, которые мы можем получить, чтобы противостоять угрозе изменения климата», — говорит Эльза Оливетти, доктор философии 2007 года, адъюнкт-профессор Эстер и Гарольда Э. Эдгертон в области материаловедения и инженерии. «Очевидно, что разработка технологий для хранения на основе сетки в больших масштабах имеет решающее значение. Но для мобильных приложений — в частности, для транспорта — многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшней литий-ионной батареи, чтобы сделать ее более безопасной, компактной и способной хранить больше энергии для своего размера и веса».

Традиционные литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться, но у них есть ограничения, которые сохраняются, отчасти из-за их структуры. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — положительного и отрицательного — зажатых вокруг органической (углеродсодержащей) жидкости. Когда батарея заряжается и разряжается, электрически заряженные частицы (или ионы) лития проходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.

Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться. «Батарейки, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все же существует», — говорит Кевин Хуанг, доктор философии 15 года, научный сотрудник группы Оливетти.

Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для использования в транспортных средствах. Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают место и увеличивают общий вес автомобиля, снижая эффективность использования топлива. Но сделать современные литий-ионные батареи меньше и легче, сохраняя при этом их плотность энергии, то есть количество энергии, которое они хранят на грамм веса, оказывается непросто.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи, чтобы сделать ее полностью твердотельной или «твердотельной» версией. Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, который стабилен в широком диапазоне напряжений и температур. С этим твердым электролитом они используют положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод большой емкости из металлического лития, который намного тоньше, чем обычный слой пористого углерода. Эти изменения позволяют значительно уменьшить общую емкость батареи, сохранив при этом ее емкость для накопления энергии, тем самым достигнув более высокой плотности энергии.

«Эти функции — повышенная безопасность и большая плотность энергии — вероятно, являются двумя наиболее часто рекламируемыми преимуществами потенциальной твердотельной батареи», — говорит Хуанг. Затем он быстро поясняет, что «все эти вещи являются перспективными, ожидаемыми и не обязательно реализованными». Тем не менее, многие исследователи изо всех сил пытаются найти материалы и конструкции, которые могут выполнить это обещание.

Думая за пределами лаборатории

Исследователи придумали много интригующих вариантов, которые выглядят многообещающе — в лаборатории. Но Оливетти и Хуанг считают, что дополнительные практические соображения могут быть важны, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата. «Всегда есть показатели, которые мы, исследователи, используем в лаборатории для оценки возможных материалов и процессов», — говорит Оливетти. Примеры могут включать емкость накопителя энергии и скорость зарядки/разрядки. При проведении фундаментальных исследований, которые она считает необходимыми и важными, эти показатели уместны. «Но если целью является внедрение, мы предлагаем добавить несколько показателей, специально учитывающих возможности быстрого масштабирования», — говорит она.

Основываясь на отраслевом опыте работы с современными литий-ионными батареями, исследователи из Массачусетского технологического института и их коллега Гербранд Седер, заслуженный профессор инженерии Дэниела М. Теллепа Калифорнийского университета в Беркли, предлагают три общих вопроса, которые могут помочь определить потенциальные ограничения на будущее масштабирование в результате выбора материалов. Во-первых, с такой конструкцией батареи могут ли доступность материалов, цепочки поставок или волатильность цен стать проблемой при расширении производства? (Обратите внимание, что экологические и другие проблемы, связанные с расширением добычи, выходят за рамки этого исследования.) Во-вторых, будет ли изготовление батарей из этих материалов включать в себя сложные производственные этапы, во время которых детали могут выйти из строя? И, в-третьих, производственные меры, необходимые для обеспечения высокопроизводительного продукта на основе этих материалов, в конечном итоге снижают или повышают стоимость производимых аккумуляторов?

Чтобы продемонстрировать свой подход, Olivetti, Ceder и Huang изучили некоторые химические составы электролитов и структуры батарей, которые в настоящее время изучаются исследователями. Чтобы выбрать свои примеры, они обратились к предыдущей работе, в которой они и их сотрудники использовали методы анализа текста и данных для сбора информации о материалах и деталях обработки, описанных в литературе. Из этой базы данных они выбрали несколько часто упоминаемых вариантов, которые представляют собой ряд возможностей.

Материалы и наличие

В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов — оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу. Olivetti, Ceder и Huang сосредоточились на одном многообещающем варианте электролита в каждом классе и рассмотрели ключевые элементы, вызывающие озабоченность для каждого из них.

Сульфидом, который они рассматривали, был LGPS, который объединяет литий, германий, фосфор и серу. Исходя из соображений доступности, они сосредоточились на германии, элементе, который вызывает опасения отчасти потому, что он обычно не добывается сам по себе. Вместо этого это побочный продукт, получаемый при добыче угля и цинка.

Чтобы выяснить его доступность, исследователи изучили, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка, а затем сколько можно было произвести. Результат показал, что даже в последние годы можно было произвести в 100 раз больше германия. Учитывая этот потенциал предложения, доступность германия вряд ли будет ограничивать масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.

Ситуация выглядела менее многообещающе с выбранным исследователями оксидом LLZO, который состоит из лития, лантана, циркония и кислорода. Добыча и переработка лантана в основном сосредоточены в Китае, и доступные данные ограничены, поэтому исследователи не пытались анализировать его доступность. Остальные три элемента доступны в изобилии. Однако на практике необходимо добавить небольшое количество другого элемента, называемого легирующей добавкой, чтобы облегчить обработку LLZO. Поэтому команда сосредоточилась на тантале, наиболее часто используемой легирующей примеси, как на главном элементе, вызывающем озабоченность в LLZO.

Тантал производится как побочный продукт добычи олова и ниобия. Исторические данные показывают, что количество тантала, полученного при добыче олова и ниобия, было гораздо ближе к потенциальному максимуму, чем в случае с германием. Таким образом, доступность тантала больше беспокоит возможное масштабирование батареи на основе LLZO.

Но знание о наличии элемента в земле не относится к шагам, необходимым для доставки его производителю. Поэтому исследователи исследовали дополнительный вопрос, касающийся цепочек поставок критически важных элементов — добычи, переработки, переработки, доставки и так далее. Предполагая, что имеются обильные запасы, могут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?

В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочки поставок германия и тантала должны будут расти из года в год, чтобы обеспечивать батареями планируемый парк электромобилей в 2030 году. Например, парк электромобилей часто называют целью к 2030 году потребуется произвести достаточное количество батарей, чтобы вырабатывать в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии. Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50 процентов из года в год — натяжка, поскольку максимальный темп роста в прошлом составлял около 7 процентов. Используя только батареи LLZO, цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов — темпы роста намного превышают исторический максимум примерно в 10 процентов.

Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок при оценке различных твердых электролитов с точки зрения их потенциала масштабирования. «Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок в соответствии с будущим производством электромобилей может потребовать буквально беспрецедентных темпов роста», — говорит Хуанг. .

Материалы и обработка

При оценке потенциала масштабирования конструкции батареи следует учитывать еще один фактор — сложность производственного процесса и то, как он может повлиять на стоимость. Изготовление твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и сбой на любом этапе увеличивает стоимость каждой успешно произведенной батареи. Как объясняет Хуанг: «Вы не отправляете неисправные аккумуляторы; ты их выбрасываешь. Но вы все равно потратили деньги на материалы, время и обработку».

В качестве показателя сложности производства Olivetti, Ceder и Huang изучили влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей в своей базе данных. В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO. LLZO чрезвычайно хрупок, и при высоких температурах, связанных с производством, большой лист, достаточно тонкий для использования в высокопроизводительной твердотельной батарее, может треснуть или деформироваться.

Чтобы определить влияние таких отказов на стоимость, они смоделировали четыре ключевых этапа сборки аккумуляторов на основе LLZO. На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемого выхода — то есть доли от общего числа единиц, которые были успешно обработаны без сбоев. У LLZO выход был намного ниже, чем у других исследованных ими конструкций; и по мере того, как доходность снижалась, стоимость каждого киловатт-часа (кВтч) энергии батареи значительно росла. Например, когда на последнем этапе нагрева катода вышли из строя еще 5 процентов блоков, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов за кВтч — нетривиальное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость таких батарей составляет 100 долларов за кВтч. Ясно, что производственные трудности могут оказать сильное влияние на жизнеспособность конструкции для широкомасштабного внедрения.

Материалы и характеристики

Одна из основных проблем при проектировании полностью твердотельной батареи связана с «интерфейсами», то есть где один компонент встречается с другим. Во время производства или эксплуатации материалы на этих границах раздела могут стать нестабильными. «Атомы начинают перемещаться туда, куда не должны, и производительность батареи снижается», — говорит Хуанг.

В результате большое количество исследований посвящено поиску методов стабилизации интерфейсов в батареях различных конструкций. Многие из предложенных методов действительно повышают производительность; и в результате стоимость батареи в долларах за кВтч снижается. Но реализация таких решений, как правило, требует дополнительных материалов и времени, что увеличивает стоимость кВтч при крупномасштабном производстве.

Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, исследователи сначала исследовали свой оксид LLZO. Здесь цель состоит в том, чтобы стабилизировать поверхность раздела между электролитом LLZO и отрицательным электродом, вставив между ними тонкий слой олова. Они проанализировали влияние — как положительное, так и отрицательное — на стоимость внедрения этого решения. Они обнаружили, что добавление сепаратора олова увеличивает емкость накопления энергии и улучшает производительность, что снижает удельную стоимость в долларах/кВтч. Но стоимость включения слоя олова превышает экономию, так что окончательная стоимость выше первоначальной стоимости.

В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из лития, фосфора и серы с небольшим добавлением хлора. В этом случае положительный электрод включает в себя частицы материала электролита — метод обеспечения того, чтобы ионы лития могли найти путь через электролит к другому электроду. Однако добавленные частицы электролита несовместимы с другими частицами в положительном электроде — еще одна проблема интерфейса. В этом случае стандартным решением является добавление «связующего», другого материала, который заставляет частицы склеиваться.

Их анализ подтвердил, что без связующего вещества производительность низкая, а стоимость батареи на основе LPSCl превышает 500 долларов США за кВтч. Добавление связующего значительно повышает производительность, а стоимость снижается почти на 300 долларов за кВтч. В этом случае стоимость добавления связующего во время изготовления настолько низка, что по существу реализуется все снижение стоимости от добавления связующего. Здесь метод, реализованный для решения проблемы интерфейса, окупается меньшими затратами.

Исследователи провели аналогичные исследования других многообещающих твердотельных батарей, о которых сообщалось в литературе, и их результаты были последовательными: выбор материалов батареи и процессов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на осуществимость и стоимость производство предлагаемой твердотельной батареи в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса. Результаты также показали, что рассмотрение всех трех факторов вместе — доступности, потребностей в обработке и производительности батареи — важно, поскольку могут иметь место коллективные эффекты и компромиссы.

Оливетти гордится широким кругом проблем, которые может исследовать подход команды. Но она подчеркивает, что это не предназначено для замены традиционных показателей, используемых для выбора материалов и обработки в лаборатории. «Вместо этого он призван дополнить эти показатели, также широко рассматривая вещи, которые могут помешать масштабированию» — важное соображение, учитывая то, что Хуан называет «срочным тиканьем часов» чистой энергии и изменения климата.

Это исследование было поддержано Программой начального фонда Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (MITEI) Центр низкоуглеродной энергетики для хранения энергии; компанией Shell, одним из основателей MITEI; и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением транспортных технологий в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов. Работа по анализу текста поддерживалась Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и MITEI.

Эта статья опубликована в весеннем выпуске 2021 года Energy Futures , журнала MIT Energy Initiative.

Понимание, проектирование и оптимизация аккумуляторных систем

Литий-ионные аккумуляторы

В модуле проектирования аккумуляторов представлены самые современные модели литий-ионных аккумуляторов. Вы найдете различные механизмы старения и высокоточные модели, такие как модель Ньюмана, доступные в 1D, 2D и полном 3D. Помимо самостоятельного моделирования электрохимических реакций, вы можете комбинировать их с теплообменом и учитывать структурные напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием в результате интеркаляции лития. Модуль также предоставляет функциональные возможности для настройки гетерогенных моделей, описывающих фактические формы пористого электролита и электродных частиц. Изучение микроструктуры батареи помогает глубже понять ее характеристики.

Свинцово-кислотные батареи

Для моделирования свинцово-кислотных батарей программа включает зависимые переменные для ионного потенциала и состава электролита, а также электрического потенциала и пористости твердых электродов. Модель учитывает растворение и отложение твердых веществ. Встроенные функции позволяют также изучить, как различные конструктивные параметры влияют на производительность батареи, такие как толщина и геометрия электродов и сепараторов, геометрия токосъемников и фидеров и многое другое.

Generic Batteries

«Рабочая лошадка» модуля проектирования батарей — это подробная модель отдельных элементов батареи с положительным электродом, отрицательным электродом и сепаратором. С помощью общего описания пористых электродов вы можете определить любое количество конкурирующих реакций в электроде, а также связать их с электролитом произвольного состава. Модуль позволяет описать пористый электролит и электролит в сепараторе любого состава с помощью теории концентрированных, разбавленных (уравнения Нернста-Планка) и фоновых электролитов в сочетании с теорией пористого электрода.

Что можно моделировать с помощью модуля проектирования батарей

Выполнение различных электрохимических анализов батарей с помощью программного обеспечения COMSOL ® .

Гетерогенные и гомогенные модели

Моделирование подробной структуры пористых электродов и пористого электролита для типового элементарного элемента батареи.

Рост границы твердого электролита (SEI)

Моделирование старения отрицательного графитового электрода литий-ионной батареи.

Напряжение, вызванное диффузией

Вычислить интеркаляционные напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием. 1

Короткое замыкание

Исследование внутреннего короткого замыкания батареи.

Pseudo-Dimension

Моделирование интеркаляции лития в частицы электрода.

Двухслойная емкость

Модели электрохимических конденсаторов и наноэлектродов.

Аккумуляторы NiMH и NiCd

Аккумуляторы модели с бинарными щелочными (1:1) электролитами.

Flow Batteries

Моделирование проточных свинцово-кислотных и ванадиевых аккумуляторов во время приложенного цикла зарядки-разрядки.

Металлическое покрытие

Укажите емкость узла электрода, чтобы избежать металлического литиевого покрытия во время высокоскоростной зарядки.

Эффекты пористости

Моделирование химических реакций под влиянием переноса частиц в пористой среде.

Спектроскопия импеданса

Изучение гармонического отклика батареи с использованием моделей высокой точности, основанных на физике.

Сосредоточенные модели с оценкой параметров

Определите упрощенную модель батареи на основе небольшого набора сосредоточенных параметров, которые соответствуют результатам высокоточных моделей экспериментальным результатам. 2

  1. Требуется модуль механики конструкций
  2. Требуется модуль оптимизации

Особенности и функциональные возможности модуля проектирования аккумуляторов

Модуль проектирования аккумуляторов предлагает набор специализированных инструментов для имитации работы аккумуляторов в различных условиях эксплуатации.

Упрощенное моделирование аккумуляторов

Для более быстрого теплового анализа трехмерных аккумуляторных блоков можно использовать проверенные сосредоточенные (упрощенные) модели для каждого аккумулятора в аккумуляторном блоке. После проверки сосредоточенные модели могут давать превосходную точность в определенном диапазоне операций. Модуль проектирования батарей содержит сосредоточенные модели, основанные на физике и решающие электрохимические уравнения в нескольких пространственных измерениях.

Интерфейс Single Particle Battery моделирует распределение заряда в аккумуляторе с использованием отдельной одночастичной модели для положительного и отрицательного электродов аккумулятора. Интерфейс Lumped Battery использует небольшой набор параметров с сосредоточенными параметрами для добавления вкладов в сумму всех потерь напряжения в батарее, происходящих от омических сопротивлений и, опционально, процессов переноса заряда и диффузии. Кроме того, вы можете определить модель батареи на основе произвольного количества элементов электрической цепи с помощью Интерфейс эквивалентной цепи батареи .

Пористые электроды с произвольным количеством электрохимических реакций

Аккумуляторные системы и химические вещества часто подвержены нежелательным побочным реакциям на электродах, и вы можете исследовать их влияние на циклы заряда и разряда, а также на саморазряд.

Типичные побочные реакции, которые вы можете смоделировать, включают выделение водорода, выделение кислорода, рост границы раздела твердого электролита, нанесение металлического покрытия, коррозию металла и окисление графита.

Исследования полностью нестационарной и импедансной спектроскопии

Аккумуляторные системы часто представляют собой закрытые системы, которые трудно изучать во время работы. Переходные методы, такие как скачок потенциала, прерывание тока и спектроскопия импеданса, могут использоваться для характеристики батареи во время работы.

Выполняя исследования переходных процессов, вы можете выполнить оценку параметров в различных временных масштабах и на разных частотах, чтобы отделить омические, кинетические, транспортные и другие потери, которые могут быть причиной старения батареи. Используя методы переходных процессов, моделирование и оценку параметров, вы можете очень точно оценить состояние аккумуляторной системы.

Высокоточное моделирование аккумуляторов

Интерфейс Lithium-Ion Battery используется для расчета распределения потенциала и тока в литий-ионном аккумуляторе. Можно использовать несколько промежуточных электродных материалов, а также учитывать потери напряжения из-за слоев SEI.

Интерфейс Battery with Binary Electrolyte используется для расчета распределения потенциала и тока в обычной батарее. Можно использовать несколько интеркалирующих электродных материалов, а также можно учитывать потери напряжения из-за образования пленки на пористых электродах.

Интеркалирующие частицы и транспорт в пористых структурах

Частицы в пористых аккумуляторных электродах могут быть твердыми (литий-ионный электрод) или пористыми (свинцово-кислотный, NiCd). В случае твердых частиц пористость в электроде находится между упакованными частицами. Однако перенос и реакции могут происходить в твердых частицах для небольших атомов, таких как атомы водорода и лития. Эти интеркалирующие частицы моделируются с помощью отдельного уравнения диффузии-реакции, определяемого по радиусу твердых частиц. Поток интеркалирующих частиц соединяется на поверхности частиц с частицами, которые транспортируются в поровом электролите между частицами. Виды интеркаляции и реакции предопределены для литий-ионных аккумуляторов, но вы можете использовать те же функции для моделирования интеркаляции водорода, например, в NiMH батареях.

В случае пористых частиц получается бимодальная структура пор: макропористая структура между упакованными частицами и микропористая структура внутри частиц. Уравнения реакции-диффузии в пористых частицах определяются так же, как и для интеркаляции частиц в твердых частицах.

Встроенная термодинамика и свойства материалов

База данных материалов аккумуляторов, включенная в модуль, содержит записи для ряда распространенных электродов и электролитов, что существенно сокращает объем работы, необходимой для создания новых моделей аккумуляторов.

Одним из наиболее трудоемких и подверженных ошибкам этапов моделирования аккумуляторных систем является сбор входных данных и их согласованное использование. Например, важно, чтобы положительный и отрицательный электроды определялись в одних и тех же системах отсчета. Потенциалы равновесного электрода (полуэлемента) должны быть измерены или откалиброваны для одних и тех же эталонных электродов, электролитов и температур, прежде чем они будут включены в одну и ту же модель аккумуляторной системы.

типов литиевых батарей: дизайн литиевых элементов

Литиевые батареи LFP: правильный выбор для погрузочно-разгрузочного оборудования

OneCharge предъявляет самые строгие требования к безопасности и качеству всех компонентов, чтобы обеспечить максимальную производительность и длительный срок службы наших литиевых батарей. Мы сотрудничаем с наиболее технологически продвинутыми и надежными производителями литиевых элементов. Мы выбираем поставщиков, которые соответствуют нашим высоким стандартам в следующих трех основных областях аккумуляторных технологий:

  • электролит,
  • катодные и анодные материалы,
  • мембранная технология.

Мы работаем с ячейками с различным химическим составом, включая LFP, NMC и другие, но в основном ориентируемся на технологию LFP как на оптимальный выбор для приложений обработки материалов.

Электролит в литиевых элементах

Электролит играет ключевую роль в переносе положительных ионов лития между катодом и анодом. Наиболее часто используемый электролит состоит из соли лития, такой как LiPF6, которая широко используется в батареях OneCharge.

В усовершенствованных литий-ионных элементах OneCharge используется электролит высокой чистоты, разработанный для оптимизации производительности и долговечности элемента. Он состоит из органических растворителей, соли LiPF6 и запатентованных добавок для повышения стабильности и предотвращения образования дендритов и деградации раствора.

Эти требования особенно важны для промышленных аккумуляторов с высокой плотностью энергии:

  • стабильность в приложениях с сильным током разряда,
  • увеличенный срок службы,
  • высокая проводимость,
  • высокая скорость разряда,
  • улучшенная производительность в широком диапазоне температур,
  • отличная термическая и гидролитическая стабильность,
  • отличная устойчивость к перезарядке,
  • LiPF6 высокой чистоты: >99,5%, свободная кислота <50 частей на миллион, вода <20 частей на миллион.

Катодные и анодные материалы литий-ионных аккумуляторов

В области литий-ионных технологий существует множество материалов для катодных электродов. Первоначально основным активным компонентом катода был оксид лития-кобальта. Сегодня кобальт часто заменяют железом (LFP), никелем, марганцем и алюминием (NMC, NCA). Катодные материалы требуют чрезвычайно высокого уровня чистоты и должны быть почти полностью свободны от нежелательных металлических примесей, таких как ванадий и сера.

Большинство аккумуляторов OneCharge состоят из элементов LFP, в которых долговечность катода повышается за счет добавления запатентованной комбинации наночастиц.

Эти аккумуляторные элементы имеют анодные электроды, изготовленные из натурального и искусственного графитового порошка, который подвергается интенсивной обработке перед запеканием на медной фольге. Графит представляет собой кристаллическое твердое вещество серо-черного цвета с металлическим блеском. Из-за своей электронной структуры он обладает высокой проводимостью — монокристалл может достигать 25 000 сименс на квадратный сантиметр (См/см2). Обратимая электрохимическая способность сохраняется в течение нескольких тысяч циклов в батареях OneCharge с оптимизированными анодными электродами, которые являются чрезвычайно легкими, пористыми и прочными. Графитовая поверхность в элементах, которые мы используем, полностью совместима с остальным химическим составом наших литий-ионных аккумуляторов — солями, растворителями и связующими.

Наши элементы изготавливаются из отожженной медной фольги (типа RA), изготовленной из кованой меди, которая обычно используется для энергоемких и мощных приложений, таких как трансмиссии электромобилей (EV) и промышленных аккумуляторов.

Аккумуляторы OneCharge с самыми высокими требованиями требуют, чтобы анодные и катодные электроды элементов:

  • обеспечивали высокую плотность энергии,
  • обеспечивают стабильность при высокой скорости импульсного разряда,
  • обеспечивают быструю скорость зарядки,
  • демонстрируют устойчивость к естественному разложению.

Керамическая мембрана, используемая в литий-ионных элементах

Электрохимический элемент состоит из анода и катода, которые разделены ионопроницаемой или ионопроводящей мембраной — сепаратором — в качестве одного из основных компонентов. Мембраны, проводящие ионы лития, необходимы для долговременной стабильной работы аккумуляторных батарей. Рост металлических дендритов между электродами приводит к потенциальным коротким замыканиям. Чтобы свести к минимуму эти риски, в материал композитных сепараторов добавляют термостабильные негорючие керамические частицы.

Сепаратор должен препятствовать физическому контакту анода и катода друг с другом, обеспечивая при этом свободный перенос ионов. Основываясь на морфологии сепаратора, обычно существует два типа сепараторов, включая микропористые мембраны и нетканые пленки. Хотя сепараторы эффективно предотвращают короткие замыкания между анодом и катодом, их присутствие между двумя электродами снижает эффективную проводимость электролита, повышая импеданс элемента. Этого можно было ожидать, поскольку присутствие сепаратора уменьшает общую площадь поперечного сечения пути, проводящего ионы лития, а извилистость открытых пор в сепараторе продлевает путь переноса ионов. Чем тоньше сепаратор, тем выше ионная проводимость, но существует компромисс между толщиной сепаратора и его механическими свойствами.

Современная современная технология литиевых элементов использует сепаратор с керамическим покрытием, который улучшает работу элемента при высоких температурах и повышает безопасность батареи.

Это технология ячеек, используемая в батареях OneCharge. Физические свойства их мембран демонстрируют:

  • высокую термостойкость, пористость и извилистость пор,
  • эффективная ионная проводимость,
  • полная совместимость с комбинацией материалов анода и катода.

Подробнее о технологии литиевых батарей

Обзор литиевых батарей

и TPPL. Это справедливое сравнение?

Поскольку популярность литий-ионных аккумуляторов продолжает расти, производители свинцово-кислотных аккумуляторов теперь предлагают аккумуляторы из чистого свинца с тонкими пластинами…

Новые тесты доказывают: литиевые батареи LFP живут дольше, чем NMC — OneCharge

Недавние независимые тесты на деградацию коммерческих литиевых батарей преподнесли большой сюрприз! Вопреки утверждениям многих литиевых сплавов на основе NMC…

Скорость зарядки литиевых батарей: факты и мифы

Если вы читаете это, вы, вероятно, подумываете о том, чтобы перевести свой парк вилочных погрузчиков и ручных домкратов на литий-ионные батареи. Или вы можете быть…

Типы литий-ионных

Литий-ионные названы в честь их активных материалов; слова либо пишутся полностью, либо сокращаются их химическими символами. Серия…

Конструкции аккумуляторных батарей

EV: обзор

Хорошо спроектированная аккумуляторная батарея должна конкурировать с бензиновыми двигателями, чтобы быть привлекательной для клиентов. Это настоящая проблема, потому что электрические батареи должны преодолевать сложные проблемы, которых нет у двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Вот некоторые распространенные проблемы, которые могут повлиять на работу аккумуляторной батареи:

  • Низкие температуры не позволяют батареям работать на полную мощность. Аккумуляторы лучше всего работают в определенном диапазоне температур, который составляет от 68°F до 77°F (от 20°C до 25°C). Очень важно поддерживать правильную рабочую температуру.
  • Аккумуляторы со временем теряют часть доступной мощности из-за естественного износа. Производители электромобилей должны убедиться, что эта потеря мощности не влияет на впечатления от вождения.
  • Аккумуляторные элементы должны быть сбалансированы для обеспечения оптимальной производительности, а это означает, что все они должны иметь одинаковое напряжение. Аккумуляторные элементы перебалансируются во время зарядки, но они теряют способность поддерживать этот баланс по мере старения. Кроме того, набирающая популярность быстрая зарядка усложняет балансировку.

Чтобы лучше понять сложность аккумуляторной технологии, давайте рассмотрим следующие темы:

  • Что такое аккумуляторная батарея
  • Компоненты аккумуляторной батареи
  • Четыре основных типа конструкций аккумуляторных батарей

Что такое аккумулятор?

Аккумуляторная батарея — это устройство, которое накапливает электроэнергию для питания электрической системы, такой как электромобиль (EV) или система накопления энергии (ESS). Энергия хранится в ячейках, которые соединены друг с другом в аккумуляторной батарее.

Для обеспечения достаточной мощности аккумуляторным блокам требуется минимальный уровень напряжения, которого не может достичь один элемент. Поэтому несколько ячеек соединены последовательно для повышения напряжения. В некоторых конструкциях используются ячейки малой емкости. Для достижения желаемой энергии батареи элементы соединяются параллельно для повышения емкости. Ячейки, соединенные параллельно, обеспечивают питание, как если бы они были одной большой ячейкой.

Аккумуляторные блоки состоят из нескольких небольших секций, называемых аккумуляторными модулями (или подблоками). Эти модули включают меньшее количество ячеек, соединенных последовательно и параллельно. Обычно они имеют более низкое напряжение, что безопасно для обращения. Модули облегчают обслуживание, когда неисправно всего несколько элементов и если их можно заменить без замены всей батареи. Аккумуляторы электромобилей обычно состоят из 4–40 модулей, соединенных последовательно друг с другом.

Компоненты аккумуляторной батареи

Аккумуляторная батарея — самая дорогая часть электромобиля. Это сложная система, состоящая из множества компонентов. Вот некоторые из важных компонентов.

  • Элементы являются наиболее важными компонентами аккумуляторной батареи. Смесь материалов, из которых состоит клетка, известна как ее химия. Различные химические составы батарей могут обеспечивать различные характеристики и характеристики. Есть два распространенных типа ячеек: энергетические ячейки и энергетические ячейки. Существует также множество вариантов, обеспечивающих идеальный компромисс в зависимости от приложения. В индустрии электромобилей литий-ионный элемент (литий-ионный элемент) является наиболее распространенным химическим элементом. Иногда используются альтернативные химические вещества, такие как никель-металлогидридный (NiMH), который предлагает немного лучший жизненный цикл.
  • Электрические соединители , такие как шины, провода или другие распределительные проводники, используются для последовательного или параллельного соединения между ячейками и группами ячеек. Эти соединения обычно выполняются с использованием ультразвуковой сварки или лазерной сварки. Соединение шин между модулями также может быть выполнено механически с помощью крепежных элементов.
  • Материалы теплового интерфейса (TIM), такие как пасты, клеи и заполнители зазоров, вставляются между компонентами батареи для их механического соединения, улучшая тепловые свойства между поверхностями. С появлением структурных аккумуляторных батарей TIM становятся важными компонентами.
  • Система управления батареями (BMS) защищает элементы, отслеживая ключевые параметры, такие как напряжение, ток и температура. Он отвечает за балансировку ячеек (для поддержания оптимальной производительности ячеек при правильном напряжении) и взаимодействует с несколькими системами, такими как управление двигателем и контроль температуры. Он также включает в себя защитные устройства, которые могут отключить батарею, если это необходимо.
  • Система управления температурой батареи (BTMS) регулирует тепловую энергию в трансмиссии и кабине электромобиля, обеспечивая охлаждение или нагрев по мере необходимости для удовлетворения тепловых потребностей батареи и защиты элементов. BTMS включает в себя несколько компонентов, таких как теплообменник, трубы, шланги, охлаждающие пластины, насосы, клапаны и датчики температуры.
  • Контакторная система — это переключатель, управляемый системой управления батареями. Он может отключить электрическое соединение между основной батареей и высоковольтной шиной, которая подает ток на тяговый двигатель и другие высоковольтные компоненты.
  • Корпус представляет собой жесткий кожух, который защищает батарею от факторов окружающей среды, таких как вода, пыль и соль. Это помогает поддерживать точную температуру и электрическую изоляцию в аккумуляторе, а также предотвращает такие повреждения, как ржавчина и медленные короткие замыкания.
  • Система связи обеспечивает связь с другими компонентами электромобиля. Наиболее часто используемый протокол — CAN-шина.

4 основных типа аккумуляторных батарей

12-вольтовые аккумуляторные батареи для аксессуаров

Благодаря низкому напряжению 12-вольтовые аккумуляторы используются в устройствах с низким энергопотреблением, таких как фары, радиосистемы и другие аксессуары. В гибридных и бензиновых автомобилях они используются для запуска двигателя. В электромобилях они используются как источник энергии, способный функционировать без основной электрической батареи (тяговой батареи). Например, он используется для активации тяговой батареи и подачи питания на некоторые жизненно важные компоненты, если питание было отключено по соображениям безопасности.

Традиционно наиболее известный тип 12-вольтовых аккумуляторов производился с использованием химического состава свинцово-кислотных элементов и поэтому назывался свинцово-кислотным аккумулятором. Количество элементов в этих блоках было ограничено 6. Самые последние 12-вольтовые батареи представляют собой литий-ионные аккумуляторные блоки, литиевые элементы которых обеспечивают лучшую производительность и меньший вес.

Аккумуляторы 12 В имеют небольшой размер и обычно размещаются под капотом. Совсем недавно производители начали размещать их внутри багажника для повышения безопасности, поскольку это сводит к минимуму вероятность короткого замыкания во время аварий. Поскольку спереди происходит больше столкновений, аккумулятор лучше защищен от ударов, когда он расположен сзади.

Гибридные аккумуляторные батареи

Гибридные аккумуляторы содержат меньше энергии, чем аккумуляторы электромобилей, и имеют гораздо меньшие размеры. Тем не менее, современные гибридные батареи обычно имеют запас хода от 30 до 50 миль (от 50 до 80 км). Их можно использовать для большинства поездок на короткие расстояния, не прибегая к двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Это серьезное улучшение по сравнению с самыми первыми моделями, которые предлагали всего 0,6 мили (1 км) автономии.

Гибридные аккумуляторные батареи дополняют двигатель внутреннего сгорания, когда он наименее эффективен, например, при ускорении. Цель состоит в том, чтобы максимально снизить расход бензина. Аккумулятор также может перезаряжаться, восстанавливая потраченную энергию при торможении (рекуперативное торможение).

Аккумуляторы для электромобилей

В отличие от аккумуляторов других конструкций, аккумуляторы для электромобилей представляют собой полноразмерные аккумуляторы, предназначенные для питания всего спектра транспортных средств, включая тяговый двигатель и аксессуары. Текущие аккумуляторы для электромобилей предлагают от 20 до 130 кВтч энергии и могут использовать от 90% до 95% этой энергии — гораздо более высокий процент, чем другие типы аккумуляторов. Mercedes EQS — это электромобиль с самым большим запасом хода, обеспечивающий автономность в 485 миль (780 км). Аккумуляторы

EV составляют значительную часть веса и объема автомобиля. Они могут весить до 450 кг (1000 фунтов), что составляет четверть от общего веса автомобиля. Различные конструкции поставляются с высоким напряжением от 400 В до 9 В.00В. В самых последних разработках они интегрируются как часть конструкции автомобиля.

Высокопроизводительные аккумуляторные батареи

Высокопроизводительные аккумуляторные батареи предназначены для гонок Формулы Е. Они делятся на две категории: гибридные и чистые электромобили. Они изготовлены из композитных материалов для получения сверхлегкой конструкции. Некоторые высокопроизводительные аккумуляторы являются съемными, поэтому их можно заменять во время гонок.

Несмотря на свои небольшие размеры, эти батареи могут обеспечивать сверхвысокую мощность. Точнее, они могут выдавать несколько сотен кВт мощности, что достаточно для выработки электроэнергии на весь район. Их система охлаждения слишком большая из-за агрессивного энергопотребления.

Высокопроизводительные аккумуляторные блоки более энергоэффективны, чем другие типы аккумуляторов. Например, они могут восстановить большую часть потерянной энергии при торможении (рекуперативное торможение).

Эволюция конструкций аккумуляторных батарей

За последнее десятилетие конструкции аккумуляторных батарей претерпели значительные изменения, чтобы удовлетворить спрос на более широкий ассортимент батарей. Повышенный интерес к электромобилям также позволил оптимизировать производство за счет более передовых производственных технологий, таких как лазеры, для дальнейшего повышения качества и снижения затрат.

 

Сообщите нам о своем приложении

 

Улучшение конструкции новой батареи с помощью глубокого обучения

4 апреля 2022 г.

Семантическая сегментация: Автоматическое обнаружение дендритов (синий) и питтов (красный) с помощью Y-net, алгоритма глубокого обучения для автоматизации контроля качества и оценки новых конструкций батарей, который был запущен в NERSC на Кори и Перлмуттере.

Электромобили — неотъемлемая часть нашего будущего с чистой энергией: каждый раз, когда вы заменяете автомобиль, работающий на газе, вы экономите 1,5 тонны углекислого газа в год. Но для того, чтобы по-настоящему увеличить количество и доступность электромобилей, необходимо разработать новые решения для хранения энергии, чтобы производить более легкие автомобили с большим запасом хода и более мощными батареями.

Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Ирвине (UC Irvine) недавно продвинулась в этом направлении, разработав алгоритмы глубокого обучения для автоматизации контроля качества и оценки новых конструкций аккумуляторов. .

Исследовательская группа, возглавляемая Даниэлой Ушизимой из лаборатории Беркли, штатным научным сотрудником отдела прикладной математики и вычислительных исследований и научно-исследовательским филиалом Института науки о данных Беркли, включает ученых из Национального исследовательского центра топливных элементов (NFRC) Калифорнийского университета в Ирвине и сотрудники Департамента электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли и Школы информации. Вместе они создали новые алгоритмы глубокого обучения для автоматизации проверки аккумуляторов с использованием данных, полученных с помощью передовых инструментов, в том числе с Advanced Light Source (ALS) Berkeley Lab. Используя рентгеновскую томографию в качестве входных данных, а также прототипы, определенные экспертами по батареям, исследовательская группа разработала автоматизированные методы для обнаружения дефектов в перезаряжаемых литий-металлических батареях и измерения их роста во время циклов работы батареи.

Исследователи сосредоточились на твердотельных литий-металлических батареях (LMB), которые отличаются от традиционных литий-ионных батарей тем, что в них используются твердые электроды и электролиты, обеспечивающие превосходные электрохимические характеристики и высокую плотность энергии.

«Это означает повышенную емкость хранения заряда и способность удерживать почти в два раза больше энергии, чем традиционная ионно-литиевая батарея — более высокая плотность энергии при меньшем весе и размере батареи», — сказал Ушизима, который предоставил более подробную информацию об этом исследовании во время презентации. Характеристика литий-металлических аккумуляторов с использованием рентгеновских изображений и машинного обучения на собрании Американского физического общества 16 марта. Среди ее соавторов Джером Кенум, Дэвид Перлмуттер, Дула Паркинсон из лаборатории Беркли, а также Ин Хуанг и Ирина Зенюк из NFCR.

Некоторые из проблем этой новой технологии заключаются в прогнозировании циклической стабильности батареи и предотвращении образования литиевых дендритов, отметила она. Это вредное явление может возникать во время заряда и разряда LMB, когда литий может откладываться неравномерно, создавая дендриты (литиевое покрытие), что приводит к отказам, таким как короткое замыкание. Эти морфологии являются ключевыми для качества LMB, и их можно зафиксировать и проанализировать с помощью рентгеновской микротомографии (XRT). Алгоритмы машинного обучения и многомасштабное представление XRT из образцов LMB позволяют проводить количественную оценку дефектов LMB.

«Контроль качества и оценка качества требуют количественных показателей, что означает автоматическое обнаружение и измерение дендритов», — пояснил Ушизима. Для этого требуется запустить семантическую сегментацию, например, с помощью сверточных нейронных сетей (CNN). Среди множества алгоритмов сегментации, основанных на CNN, одной из первых CNN, протестированных исследовательской группой, была масштабируемая реализация U-net, которую они недавно опубликовали в Nature Scientific Data.

«Преимущество использования нашей сети U-net заключалось в возможности быстрой адаптации композитных изображений с керамической матрицей к новым данным микроКТ, поступающим от батарей», — сказала она. «Наши последние усилия сосредоточены на современных алгоритмах, таких как преобразователи зрения. Одним из преимуществ является возможность изучения последовательности представлений из данных микроКТ как части захвата многомасштабных аспектов микроструктур микроКТ».

«Вот что мы делаем: мы создаем алгоритмы глубокого обучения для автоматизации проверки данных о батареях, полученных с помощью передовых инструментов визуализации в национальных лабораториях Министерства энергетики США, включая ALS лаборатории Беркли и Advanced Photon Source (APS) в Аргонне. », — добавил Ушизима, который также связан с Центром хранения энергии лаборатории Беркли

. ALS и APS являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.


О компьютерных науках в Berkeley Lab

Высокопроизводительные вычисления играют решающую роль в научных открытиях. Исследователи все больше полагаются на достижения в области компьютерных наук, математики, вычислительной науки, науки о данных, крупномасштабных вычислений и сетей, чтобы лучше понять себя, нашу планету и нашу вселенную.