Строение аккумулятора автомобиля: Устройство автомобильного аккумулятора

Содержание

автомобильные и литий-ионные, устройство и принцип работы — сообщение

Современное производство, да и всю нашу жизнь невозможно представить без аккумуляторов и батареек. Они необходимы для работы автомобилей, сотовых телефонов, ноутбуков и даже детских игрушек. А при аварийных отключениях электроснабжения они обеспечивают бесперебойную работу различного оборудования. Сегодня в докладе мы познакомим вас с устройством и работой аккумуляторных батарей и литий-ионных аккумуляторов.

Общие сведения об аккумуляторных батареях

Аккумуляторы — устройства, которые являются химическими источниками тока. Они способны накапливать электрическую энергию и отдавать ее по мере необходимости.

Т.е. заряженный аккумулятор является источником электроэнергии. Для зарядки его следует подключить к постороннему источнику питания. При этом происходит процесс превращения электрической энергии источника тока в химическую энергию аккумулятора.

При подключении его к внешней цепи происходит его разрядка, в процессе которой его химическая энергия превращается в электрическую.

Автомобильный аккумулятор

Система электроснабжения автомобиля обязательно включает аккумуляторную батарею. Она предназначена для запуска двигателя, питания некоторых устройств (сигнализации, дворников, кондиционера и т.д.) Его значение столь велико, что часто его называют «сердцем автомобиля».

Как же устроен аккумулятор? Немного упростив детали, его конструкцию можно представить как систему решетчатых свинцовых пластин, находящихся в проводящей жидкости-электролите. Этот химический раствор состоит из 65% воды и 35% серной кислоты. Обычно в аккумуляторе 6 элементов, каждый из которых дает напряжение 2 V. Всего на клеммы аккумуляторной батареи поступает напряжение 12 V. При этом напряжении энергии аккумулятора достаточно для того, чтобы заработал стартер и завёлся двигатель.

В каждом элементе есть положительная и отрицательная пластина. Т. е. на одной — избыток электронов, а на другой их недостаток. Положительные пластины покрыты двуокисью свинца, а отрицательные губчатым свинцом. Когда аккумулятор подключают к потребителю, между покрытием пластин и электролитом начинаются химические реакции, порождающие электрический ток. Именно по электролиту происходит движение электронов от отрицательной пластины к положительной.

В результате этого процесса на пластинах выделяется сульфат свинца, а электролит при этом истощается. И аккумулятору нужно вновь зарядиться. Заряжающую функцию выполняет генератор переменного тока автомобиля. Когда автомобиль движется, работающий двигатель и приводит в действие генератор, подзаряжающий аккумулятор. Зарядка производится в процессе обратной химической реакции. Выходящие из генератора электроны, восстанавливают покрытие свинцовых пластин и плотность электролита. Аккумулятор вновь готов к работе. Если же аккумулятор не успевает полностью восстановить свой заряд от генератора, его подключат к специальному зарядному устройству.

Срок службы аккумулятора зависит от многих факторов: манеры езды водителя, насколько регулярно и правильно проводится его зарядка и обслуживание т. д.

Вообще стандартный ресурс работы аккумулятора 4 года. За этот период постепенно усиливается сульфатизация пластин, и они перестают принимать зарядный ток. Эта маленькая электростанция может и не подавать вида, что ей требуется замена. А просто в один прекрасный момент водитель не сможет завести двигатель.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Самый популярный вид аккумулятора, применяемый в электронной бытовой технике (сотовых телефонах, ноутбуках и т. д.) — это литий-ионный аккумулятор. Его популярность легко объяснима. Это устройство выгодно отличается от своих собратьев:

более быстрой зарядкой;
большей мощностью;
меньшим весом;
более долгим сроком службы;
низким саморазрядом.

В подтверждение этих достоинств приведём такие цифры — число рабочих циклов у них достигает 1000, что в 2 раза больше чем у других подобных устройств; а напряжение на отдельном элементе достигает 3,6 В, тогда как у других видов аккумуляторов не превышает и 2В.

Важным его достоинством является «эффект памяти», позволяющий ставить устройство на подзарядку в любой момент, независимо от имеющегося уровня зарядки. Это особенно важно, если предстоит его непрерывная и длительная эксплуатация.

Устройство и принцип работы

Литий-ионные аккумуляторы могут иметь либо цилиндрическую, либо плоскую форму. Его электроды разделены слоем сепаратора и электролита. Для изготовления катода используют литий, анод выполняется из пористого углерода. Пропиленовый сепаратор разделят разноименно заряженные электроды. Носителями заряда являются ионы электролита. В процессе разряда их поток направлен от анода к катоду. При зарядке — от катода к аноду. Контакты от катодов и анодов подсоединены к наружным клеммам. Причём к алюминиевому корпусу устройства подключен положительный электрод. Для безопасной эксплуатации предусмотрена защита, предохраняющая устройство от перезаряда.

Срок их службы зависит от количества зарядов и разрядов. Если предполагается их длительное хранение без использования, лучше всего это сделать при половинном заряде аккумулятора

К недостаткам литий-ионных аккумуляторов можно отнести их относительно высокую стоимость.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Что такое аккумуляторная батарея — устройство, состав и принцип работы АКБ

Содержание

Определение АКБ и его функция в автомобиле
Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее работы
По каким технологиям изготавливают
Технология GEL
Технология AGM
Технология EFB

Основным источником электроэнергии в автомобиле является генератор – от него питаются все потребители при работающем двигателе. Но мотор сначала надо запустить. Для этого в машине установлена аккумуляторная батарея.

Определение АКБ и его функция в автомобиле

Аккумуляторная батарея (АКБ) – электрохимический возобновляемый источник электрической энергии. Он может снабжать потребителей до исчерпания заряда, после чего может быть перезаряжен. Количество циклов заряд-разряд ограничено, оно определяет жизненный ресурс батареи.

В автомобиле основное назначение АКБ — запуск двигателя. От аккумулятора запитывается стартерный двигатель, который приводит во вращение вал мотора, а также бензонасос (если он с электроприводом) и другие необходимые для старта узлы. После окончания последовательности пусковых операций на номинальный режим выйдет генератор, и вся нагрузка бортсети (включая возобновление потраченной на пуск энергии АКБ) перейдет на него.

Также аккумулятор может запитать потребителей, если двигатель не запущен. В штатном режиме это может быть аварийное светосигнальное оборудование, охранная сигнализация, в темное время суток – габаритные фонари и т.п. В нештатной ситуации могут быть обеспечены питанием и другие потребители — автозвук, световое оборудование при ремонте и диагностике и т. п. Надо лишь помнить, что время пользования до следующего заряда ограничено.

Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее работы

Самый простой аккумулятор состоит из двух электродов – положительного из оксида свинца, отрицательного из свинца. Оба электрода помещены в раствор серной кислоты. При подключении потребителя начинают протекать химические реакции.

Устройство простого свинцово-кислотного аккумулятора.

Всего их при заряде-разряде несколько десятков, но для понимания работы АКБ наиболее важны следующие:

при разряде на аноде (плюсовом электроде) диоксид свинца при взаимодействии с серной кислотой восстанавливается до сульфата свинца с образованием воды;
при этом на катоде (минусовом электроде) свинец окисляется с образованием сульфата свинца (PbSO₄).

В итоге происходит два важных для эксплуатации явления:

Содержание серной кислоты в электролите падает (уменьшается плотность электролита).
На пластинах выпадает плохо растворимый в кислоте осадок сульфата свинца.

При заряде реакции идут в обратном направлении:

на катоде в результате реакции из сульфата свинца образуется свинец и кислотный остаток серной кислоты, катод заряжается отрицательным потенциалом;
на аноде сульфат свинца с водой образуют серную кислоту и чистый свинец, заряжая электрод положительно.

Итогом реакций становится:

Растворение сульфата свинца.
Увеличение содержания серной кислоты и повышение плотности электролита.
Появление электродвижущей силы (ЭДС), достигающей 2,1 вольта.

Если процессы протекают строго симметрично, то выпадающий осадок PbSO₄полностью растворяется. На практике такого не бывает, полное равновесие соблюсти сложно. Поэтому пластины постепенно покрываются слоем сульфата, маскирующим полезную площадь. В итоге емкость АКБ снижается. Этот процесс называется сульфатацией.

Пластины, покрытые слоем кристаллов сульфата свинца.Последствия «кипения» аккумулятора – выплескивание электролита и образование осадка при высыхании.

В практических конструкциях изначально свинцовые решетчатые пластины заполняют намазкой из смеси оксида свинца и свинцового сурика (с химической точки зрения — соединение свинца и кислорода). При первом заряде происходит формовка пластин. Во время реакции с серной кислотой на одном аноде образуется оксид свинца в губчатом виде, на другом – металлический свинец (также в пористой форме). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин, поэтому практическое устройство элемента аккумуляторной батареи выглядит как пакет из анодных и катодных пластин, набранных поочередно и соедиенных параллельно.

Устройство элемента аккумуляторной батареи.

По каким технологиям изготавливают

Стремление улучшить работу свинцово-кислотных аккумуляторов привело к созданию новых технологий производства элементов. В первую очередь, это замена легирующей добавки. Вместо сурьмы сейчас широко применяется кальций. Его добавка придает свинцовым пластинам повышенную прочность, в результате появилась возможность сделать их более тонкими без потери жесткости конструкции. В электрохимических реакциях кальций не участвует. Кальциевые батареи имеют и другое достоинство – пониженная склонность к газообразованию при зарядке. Такой аккумулятор не склонен к «кипению». Это кардинально снижает расход воды во время эксплуатации. Также за последние годы популярность завоевали батареи в необслуживаемом исполнении.

Тематическое видео: Революционная твердотельная батарея от Toyota

Технология GEL

В этих аккумуляторах электролит загущен до состояния геля специальными добавками. Главное достоинство батареи – необслуживаемое исполнение и практическая невозможность пролива электролита. Даже при небольших повреждениях корпуса гель не вытечет. Также созданы условия для рекомбинации газов в толще электролита. Водород и кислород, даже если они образуются при зарядке, не улетучиваются, а реагируют в толще геля с образованием воды. Малая часть газов, не поучаствовавшая в рекомбинации, улетучивается в пространство над электролитом. Когда давление достигает определенного предела, оно сбрасывается в атмосферу через специальный клапан. Другим плюсом является возможность эксплуатации почти в любом положении. Электрохимические реакции в таком элементе не отличаются от реакций в обычном аккумуляторе, принцип работы гелевой батареи абсолютно такой же, поэтому ЭДС одного элемента составляет те же 2,1 вольта.

Технология AGM

Эта технология позволяет в полной мере использовать преимущества пластин, легированных кальцием. Тонкие пластины собирают в компактный пакет, а чтобы избежать короткого замыкания, между ними прокладывают сепаратор-разделитель, как показано на рисунке в разрезе.

Устройство батареи АГМ.

Он изготовлен из волокнистого материала (обычно, стекловолокна). Пространство между волокнами заполнено электролитом, который удерживается внутри сепаратора капиллярными силами, поэтому свободной жидкости в такой батарее тоже нет. Часть межволоконного пространства оставлена незаполненным – небольшое количество газов, которое все же образуется во время эксплуатации, рекомбинирует в этих пустотах.

Технология EFB

Строение аккумуляторов, изготовленных по данной технологии, является промежуточным между традиционными батареями и AGM. Пластины (обычно, каждая положительная) такой АКБ помещены в сетчатый сепаратор, который позволяет расположить электроды более компактно без риска короткого замыкания. Внутри корпуса находится электролит в свободном виде, но часть его абсорбируется сеткой разделителя, которая позволяет держать пластины постоянно смоченными раствором серной кислоты.

Кроме того, сепаратор снижает вымывание обмазки пластин и удерживает ее от осыпания, что положительно сказывается на сроке службы АКБ, увеличивая количество возможных циклов. Такие батареи обладают многими достоинствами аккумуляторов AGM, но их производство значительно дешевле.

Устройство аккумулятора EFB.

Несмотря на развитие литий-ионных технологий, кислотно-свинцовые батареи еще долго будут занимать свои ниши в сфере автономных источников питания. Предпосылками к этому служат их дешевизна, конструкция, отработанная десятилетиями, относительно долгий срок службы при эксплуатации в соответствующих условиях.

Конструкционные батареи: автомобили будущего склеены

Технологии, лежащие в основе электромобилей, быстро развиваются, и одной из самых многообещающих инноваций является блок структурных батарей.

Конструкционные аккумуляторные батареи представляют собой многофункциональные материалы, которые служат как для хранения энергии, так и для конструкции. В результате можно удалить лишние конструктивные элементы, сняв вес с других частей автомобиля. Говорят, что они предлагают «безмассовое хранение энергии», потому что их эффективный вес ниже, чем общий вес ячеек (учитывая части, которые они заменяют).

Структурные батареи меняют способ сборки электромобилей. Конструкционные клеи заменяют винты и сварные швы для «склеивания» компонентов вместе с помощью процесса, называемого клеевым соединением. Этот процесс требует дополнительной подготовки поверхности и создает новые проблемы для автопроизводителей и производителей аккумуляторов.

Традиционные и структурные аккумуляторные блоки

Традиционные аккумуляторные блоки в основном используются для обеспечения электроэнергией, но они также помогают укрепить раму автомобиля. Структурные аккумуляторные блоки выполняют эту роль гораздо дальше и являются важной частью несущей конструкции.

Давайте рассмотрим два примера, чтобы лучше понять разницу.

Традиционные аккумуляторные батареи Tesla состоят из цилиндрических ячеек, заключенных в модули. Эти модули обеспечивают жесткую оболочку для аккумуляторных элементов, защищая их от нагрузки.

Но в структурных батареях Теслы цилиндрические элементы не заключены в модули. Вместо этого ячейки сначала соединяются друг с другом, затем они соединяются с верхним металлическим листом и нижним металлическим листом. Это создает прочную конструкцию, которая укрепляет кузов и шасси автомобиля, обеспечивая при этом жесткость на кручение и передачу сдвига.

Улучшения, внесенные структурными батареями, впечатляют:

Эти улучшения [для Tesla Model Y] приводят к снижению веса на 10%, увеличению запаса хода на 14%, значительному сокращению количества деталей и повышению общей структурной целостности автомобиля.
Выдержка из Tesla Model Y со структурной батареей, которая уже может быть в производстве, руководство пользователя.
Советы

У GM другой подход. В своем Hummer EV они используют чехлы, защищенные модулями, а аккумуляторные блоки установлены в шасси.

Аккумуляторы Ultium установлены в шасси машины и помогают сделать его более жестким. Это, в свою очередь, улучшает плавность хода и управляемость, одновременно снижая вибрацию и жесткость.

Выдержка из следующего шага для электромобилей: разработка аккумуляторов для повышения прочности автомобиля, увеличения запаса хода

Это разные подходы к конструкционным батареям, но во всех случаях они выполняют дополнительную функцию в конструкции автомобиля. Они также имеют лучшую плотность энергии (ватт-часы на килограмм), чем традиционные батареи, что увеличивает запас хода батареи.

Какие компании производят структурные батареи?

Компании, производящие структурные аккумуляторы, включают автопроизводителей, таких как Tesla и GM, а также производителей аккумуляторов, таких как BYD и Contemporary Amperex Technology. Некоторые автопроизводители сотрудничают с производителями аккумуляторов для производства аккумуляторных батарей. Примеры включают Volvo и Northvolt, а также BMW и ONE (наша следующая энергия).

Что такое клеевое соединение и почему оно важно?

Склеивание является важным процессом для конструкционных батарей. Он используется для соединения поверхностей вместе, создавая структуру, которая равномерно распределяет нагрузку, что обеспечивает большую прочность. Это делается с использованием конструкционных клеев, таких как эпоксидная смола, смешанная с отвердителем, клейкие ленты или двусторонние клейкие листы.

Клеи служат многим целям. Заменяя механические крепления, они уменьшают вес батареи и, следовательно, увеличивают ее радиус действия. Клеи также защищают аккумулятор от факторов окружающей среды, таких как вода, пыль, дорожная соль и автомобильные жидкости. Они также улучшают механические свойства батареи, обеспечивая защиту от ударов и вибраций. Наконец, они могут действовать как проводники тепла или изоляторы, помогая регулировать температуру батареи для повышения безопасности и долговечности.

Если вам интересно узнать больше о процессе склеивания, вы можете посмотреть следующее видео.

Для обеспечения успешного склеивания соединяемые поверхности необходимо очистить, удалив такие загрязнения, как пыль, оксиды, масла, аккумуляторные электролиты и покрытия. Это улучшает химические свойства, удерживающие поверхности вместе.

Для структурной батареи этап очистки представляет собой проблему, поскольку общая площадь поверхности, которую необходимо очистить и склеить, очень велика по сравнению с традиционными батареями. Это означает, что еще меньше места для ошибок или несоответствий в процессах очистки и склеивания, иначе аккумуляторы выйдут из строя.

Для этого производителям необходим надежный и точный процесс очистки. В этом может помочь промышленная лазерная очистка.

Лазерная технология для подготовки аккумуляторов к склеиванию

Лазерная технология предлагает два основных процесса подготовки аккумуляторов к склеиванию: лазерная очистка и лазерное текстурирование.

Лазерная очистка удаляет загрязнения с поверхности, чтобы они не мешали процессу склеивания. В отличие от других технологий очистки, лазерная очистка не привносит в процесс загрязняющие вещества, такие как абразивы или химические вещества.
Лазерное текстурирование улучшает текстуру и шероховатость поверхности, улучшая такие свойства, как смачиваемость, для лучшей адгезии во время сборки. Процесс может быть настроен для персонализированных рисунков поверхности и значений шероховатости.

Посмотрите это видео, чтобы увидеть, как оба процесса выполняются одновременно.

Благодаря высокой точности и воспроизводимости лазерная технология хорошо подходит для подготовки структурных батарей к склеиванию. Он быстр, легко автоматизируется и требует минимального обслуживания, что делает его идеальным для высоких требований линий по производству аккумуляторов.

Если вы считаете, что лазерная технология может принести вам пользу, свяжитесь со специалистом по лазерам, чтобы обсудить ваше применение.

Заглавное фото: @shortword/Twitter

Спросите эксперта

Скоро в панелях кузова вашего автомобиля могут оказаться батареи

| Мнение

Сильные электроны: структурный аккумуляторный композит обещает «безмассовое» хранение энергии.

Я рассмотрел различные технологии, которые обещают уменьшить массу и/или увеличить плотность энергии аккумуляторов электромобилей, поэтому мой интерес резко возрос, когда я недавно узнал об исследованиях, проведенных в Технологическом университете Чалмерса в Гётеборге, Швеция. о концепции «безмассового» хранения энергии. Звучит даже легче, чем литиевый воздух!

Первое, что нужно знать о «структурной батарее», это то, что на самом деле она не невесома. Скорее, как следует из названия, его можно использовать для замены различных однозадачных конструкционных панелей, используемых сегодня, на конструкции, которые также могут накапливать энергию. Они являются частью нового класса многофункциональных композитов, называемых конструкционными силовыми композитами, способными накапливать электрическую энергию в конденсаторе или батарее.

Airbus планирует к 2050 году запустить полностью электрический региональный самолет на 100 пассажиров, но замена 60 фунтов реактивного топлива на пассажира батареями потребует почти в 37 раз больше веса. Такой самолет никогда не смог бы оторваться от земли, но что, если бы он имел чуть более толстый фюзеляж из конструкционного композитного аккумулятора (SBC), который также функционировал в качестве аккумулятора? Или что, если бы эти 100 каркасов сидений на борту были сделаны из SBC?

Необработанные пряди углеродного волокна без покрытия являются отличными проводниками электричества, и, поскольку они обычно содержат крошечные пустоты, которые могут легко принимать ионы лития, они хорошо работают в качестве отрицательного электрода батареи. Однако углеродные волокна немного растут во время литирования, поэтому расширение необходимо учитывать при любой конструкции.

Использование электрофоретического осаждения для нанесения покрытия из литий-железо-фосфата/оксида графена на нити из углеродного волокна позволяет им служить структурным катодом. Вуаля! Теперь все, что нужно, — это электролит, который также может функционировать как конструкционная смола, и шведская группа определила полимерный электролит со сшивающим мономером, который повышает структурную жесткость материала, сохраняя при этом проводимость ионов лития.

В текущем состоянии исследований структурная батарея Чалмерса хранит около 24 ватт-часов на килограмм, но команда рассчитывает достичь 75 Вт-ч/кг к 2023 году, что по-прежнему составляет примерно треть плотности лучших литий-ионных элементов. Эта более низкая плотность энергии означает, что материалы SBC с меньшей вероятностью подвержены тепловому разгону, но остается опасение, что они могут выделять токсичные пары в случае возгорания.

Самые прочные углеродные волокна плохо накапливают энергию, поэтому сегодня этот материал обладает примерно одной третью статической прочности на растяжение и сжатие по сравнению с алюминиевой панелью эквивалентной толщины. Но к следующему году команда ожидает, что его SBC достигнет структурного паритета с алюминием, при этом сравнявшись по пределу текучести со сталью. Профессор Чалмерса Лейф Асп говорит, что, хотя материал SBC можно изогнуть и придать ему форму, как и другие композитные материалы, резкие изгибы увеличивают риск короткого замыкания элемента.

В статье, опубликованной исследователями из Чалмерса, рассматривались последствия удаления батарейных блоков и включения композитных материалов для конструкционных батарей в Tesla Model S (с батареей на 85 кВтч) и BMW i3. Заменив примерно 70 процентов внутренних и внешних панелей и 60 процентов конструкции кузова на SBC, масса этих автомобилей уменьшится на 26 и 19 процентов соответственно, а прогнозируемый запас хода по Новому европейскому ездовому циклу уменьшится на 36 и 17 процентов.

процент. Но удвоение толщины и массы этих панелей SBC возвращает обе машины к паритету массы, увеличивая запас хода на 20 процентов у Tesla и на 70 процентов у BMW (не говоря уже о добавлении места для ног за счет устранения аккумуляторных блоков, занимающих много места).

Замена изношенного структурного аккумулятора кажется более сложной задачей, чем отвинчивание батарейного отсека и замена элементов, но современные аккумуляторы для электромобилей, похоже, служат в течение всего срока службы автомобиля. Тем не менее, использование SBC лучше всего ограничить легко заменяемыми элементами, такими как рамы сидений, дверные панели и, возможно, капот, крыша и панели пола, а не неотъемлемыми конструкциями, такими как стойки и защитные ограждения.

Как скоро мы увидим запуск производства структурных батарей? Asp считает, что SBC может появиться в ноутбуках, телефонах и игрушках в течение двух лет, а летающие беспилотники — через 10 лет, а тяговые аккумуляторы для электромобилей — еще через некоторое время.