Береги здоровье – с молоду, аккумулятор с покупки. Автомобильный аккумулятор.

Береги здоровье – с молоду, аккумулятор с покупки.
Автомобильный аккумулятор.
Одним из важнейших узлов любого современного автомобиля является электрическая
аккумуляторная батарея. Без него сейчас невозможно оживить ни один двигатель. Каждый
автомобилист может выбрать аккумуляторную батарею на любой вкус и бюджет. Прошли времена
тотального дефицита, в том числе дефицита автозапчастей и аккумуляторов. Ранее, приобретение
новой батареи считалось значимым событием, ее старались беречь и своевременно проводить
обслуживание. Но вместе с исчезновением дефицита, сильно изменилось и отношение многих
автомобилистов к аккумулятору, да и сами батареи стали малообслуживаемыми или
необслуживаемыми. Мы часто не задумываемся, что заставляем аккумулятор работать на износ. А
это совсем не значит, что даже необслуживаемый аккумулятор, совсем не нуждается в уходе. Наше
отношение к нему стало сугубо потребительским, поэтому иногда, особенно зимой, в холодные
дни, аккумулятор может нас сильно огорчить, отказавшись работать частично или полностью.
Однако, по прежнему, у многих автолюбителей отношение к аккумулятору остается
внимательным и заботливым. Это объясняется и старой закалкой прошлых времен и тем, что для
многих покупка новой автомобильной батареи может быть значительной растратой. Остаются
актуальными многие вопросы обслуживания аккумуляторных батарей, такие как:
 часто ли нужен подзаряд?

какое зарядное устройство лучше подходит?

замер параметров электролита;

проведение десульфатации и восстановления.
Несмотря на кажущееся множество вопросов, все они сводятся к одному, главному – как
обеспечить долговременную и бесперебойную работу автомобильного аккумулятора.
Для того, чтобы понять, как необходимо относиться к аккумуляторной батарее автомобиля и
какие условия работы для нее противопоказаны, а какие рекомендованы, попробуем разобраться в
сути процессов, происходящих с рабочим веществом. Для этого нам придется “заглянуть” внутрь
аккумулятора, понять что и как в нем происходит и как избежать ошибок в эксплуатации. Не будем
вдаваться в тонкости электро-химических процессов, приводить формулы и графики, а
постараемся понять их суть. Это позволит вывести формулу успеха и долгой безотказной работы
вашей батареи.
Как устроена аккумуляторная батарея.
Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 году и с тех пор его конструкция
принципиально мало изменилась. Автомобильный аккумулятор является батареей из шести
свинцово-кислотных элементов со свободным раствором электролита. Свинцово-кислотные
аккумуляторы (СКА) способны кратковременно отдавать большие токи в нагрузку, что прежде
всего необходимо при запуске двигателя. Применение этого типа аккумуляторов в автомобильной
технике обусловлено относительно низкой стоимостью. К достоинствам этих аккумуляторов
можно отнести довольно большой диапазон рабочих температур, несмотря на то, что с падением
температуры ниже -15*С емкость кислотного аккумулятора резко уменьшается. Однако, даже при 40*С, оставшейся емкости батареи 20% от номинальной бывает вполне достаточно для запуска
двигателя автомобиля.
Конструктивно элемент батареи СКА представляет собой набор положительных и
отрицательных свинцовых электродов, погруженных в водный раствор серной кислоты,
называемый электролитом, разделенных пористыми проницаемыми сепараторами. При разряде в
аккумуляторе протекает химическая реакция - серная кислота расходуется с одновременным
образованием воды и плотность электролита уменьшается, а при заряде, наоборот, вода идет на
образование серной кислоты и плотность электролита растет. Электролит – водный раствор серной
кислоты имеет максимальную электрическую проводимость при плотности 1,26г/см³. Однако на
практике, часто применяются более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³.
Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита
падает, и температура его замерзания становится выше.
Пластины СКА как правило изготавливают из свинца, положительные анодные пластины
аккумулятора покрывают губчатым пористым свинцом, отрицательные катодные пластины
покрывают пористым диоксидом свинца. Пористая структура обоих видов пластин увеличивает
площадь химической реакции, обеспечивая большие величины токов свинцовых аккумуляторов.
Механическая прочность пористых обмазок пластин СКА невелика, поэтому в материал обмазок
добавляют связывающие вещевства. Чаще всего это бывает сурьма, такие аккумуляторы имеют
наименьшую стоимость и небольшой срок эксплуатации, как правило 2-3 года. Достоинством этих
СКА являются большие разрядные и пусковые токи, но такие батареи боятся глубокого разряда,
особенно при низких температурах. В меньшей степени от глубокого разряда страдают СКА с
добавлением солей кальция. Прочность обмазки с добавлением кальция существенно выше,
поэтому срок службы таких батарей может быть 5 лет и более.
Одновременно с образованием воды во время разряда, на пластинах возникает избыток и
недостаток свободных электронов, что обеспечивает электрический ток, а обе пластины
покрываются слоем нерастворимой соли сульфата свинца. Сульфат свинца PbSO4 – продукт
окисления свинца и диоксида свинца PbO2 серной кислотой, представляет собой белое
кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и электролите и непроводящее электрический
ток. Образующийся слой кристалов сульфата свинца препятствует дальнейшему прониканию
электролита к рабочему веществу пластин, что приводит к увеличению сопротивления и
уменьшению напряжения на клеммах аккумулятора, уменьшению разрядного тока. Емкость
элемента уменьшается, аккумулятор истощается. При заряде процесс протекает в обратном
направлении, сульфаты под действием электрической энергии переходят в раствор, вода
расходуется, плотность электролита повышается. Происходит обратный процесс очищения
пластин, аккумулятор восстанавливается. Часть энергии зарядного тока расходуется на
преодоление внутреннего сопротивления пластин и электролита, поэтому КПД свинцового
аккумулятора хотя и достаточно высокое - 85-90%, но не идеальное. При достижении окончания
заряда, напряжение аккумулятора возрастает и у пластин начинается реакция электролиза воды –
на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Стоит отметить, что данный процесс часто
бывает губительным для пористого вещества пластин аккумулятора, к тому-же смесь водорода и
кислорода выделяется во взрывоопасной концентрации.
Чем больше зарядный ток, тем выше напряжение между пластинами и тем интенсивнее
выделение газов. Иногда этот процесс может происходить и при неполном заряде СКА, но при
больших значениях зарядных токов. От выделений газов пористый материал пластин разбухает,
становится непрочным и может начать осыпаться. Возможно и замыкание пластин из-за
механического расширения. Десульфатация таких расширенных пластин СКА при заряде может
проходить неполностью. Кристаллы сульфата свинца становятся более крупными и перекрывают
доступ электролита к пористому материалу. При следующем разряде кристаллы сульфата только
разрастаются, еще в большей степени. Так как сульфат свинца является непроводящим и
нерастворимым материалом, то у такого СКА с частично поврежденными пластинами постоянно
накапливающийся сульфат увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает эффективную
емкость. Поэтому СКА рекомендуется заряжать током, числовое значение которого составляет не
более 10% значения его номинальной емкости, а в некоторых публикациях указывается значение в
5%. Также необходимо соблюдать общие правила эксплуатации СКА – не перезаряжать, не
оставлять аккумулятор разряженным надолго, особенно в холодную погоду, следить за
количеством и состоянием электролита.
Что такое сульфатация и чем она опасна.
Согласно исследованиям “Battery Council International” 84% СКА выходят из строя из-за
сульфатации. Что это за процесс, почему бывает невозможно простым зарядом добиться
десульфатации и возвращения полной емкости батареи? Ещё немного химии...
Длительное время в теории химических процессов СКА господствовала теория “двойной
сульфатации”. Она оказалась несостоятельной и не отражает действительного химического
процесса в аккумуляторе. Последние исследования в этом направлении показывают, что в процессе
разряда СКА в районе положительных пластин сначала накапливается не сульфат свинца PbSO4, а
комплексный коллоидный (гелеобразный) раствор основной соли, с присутствием сульфата 4PbO*PbSO4. Это вещество практически не связано с пластинами, находится во взвеси на основе
электролита и очень неустойчиво, но в виду особенности строения, еще не нарушает губку пластин
положительного электрода. Гелеобразное комплексное соединение является частично проводящим
и в его состав входит электролит, но в разбавленном состоянии. Если СКА срочно не зарядить, то
наступает фаза перехода комплексной соли в сульфат свинца, который и кристаллизуется прежде
всего на положительных пластинах, а расход серной кислоты увеличивается. Такой процесс может
идти с накоплением свободного сульфата. При нарушении правил эксплуатации СКА явление
хронического накопления сульфата свинца на пластинах становится нарастающим. Рассмотрим,
какие действия приводят к такому состоянию:
1. Постоянный перезаряд СКА с выделением большого количества электролизных
газов. Такой процесс происходит при повышении напряжения заряда до 15В и более,
и приводит к росту плотности электролита, а также к разбуханию обмазного
вещества пластин аккумулятора. В увеличившиеся поры губчатых пластин при
последующем разряде проникает сульфат свинца, который перекрывает доступ
электролита к рабочему веществу.
2. Постоянный недозаряд СКА до номинальной емкости. Присутствие на пластинах
сульфата длительное время, приводит к его внедрению в губчатый слой и также
перекрывает доступ к электролиту.
3. Длительное нахождение при низких температурах. Химические процессы в
аккумуляторе проходят медленно. И если разрядные токи СКА еще как-то
обеспечивает, то заряд батарея брать отказывается из-за уменьшения активности
электролита. Ситуация похожа на недозаряд, но если при недозаряде напряжение на
батарее все-же недостаточное, то при низких температурах недостаточный заряд
бывает, даже если необходимое напряжение обеспечить.
4. Заряд СКА большими токами. При неполном заряде аккумулятора, если ток заряда
долго будет намного более 10% значения емкости, то напряжение на батарее будет
повышенным. Это напряжение запускает процесс электролиза воды в электролите,
способствует как кратковременному так и к длительному уменьшению рабочей
поверхности пластин. От этого плотность тока становится еще больше, происходит
набухание и осыпание обмазного вещества.
5. Глубокий и длительный разряд. Особенно для СКА губителен полный разряд в
холодное время. Глубокий разряд способствует внедрению кристалов сульфата в
поры губчатого вещества. В первое время после глубокого разряда кристаллы
сульфата, образующиеся из неустойчивого гелеобразного соединения будут мелкими
и рыхлыми. Если надолго СКА оставить в таком виде (несколько часов или суток), то
кристаллы сульфата свинца продолжат расти и образуют крупные сульфатные
образования. В дальнейшем бывает очень трудно их убрать, особенно въевшиеся
кристалы сульфата в губке пластин.
В любом случае, если СКА уже подвергался таким действиям и первоначальное состояние
пластин оказалось нарушено, то такой аккумулятор, даже после хорошо проведеной десульфатации
будет склонен к дальнейшей и нарастающей сульфатации.
Так можно-ли вернуть жизнь старому сульфатированному аккумулятору? Практика
показывает, что такое возможно, но в довольно небольшом количестве случаев – 20-25%, да и то
только временно. По признаниям бывалых практиков, которым не раз удавалось правильно
провести процесс десульфатации аккумулятора, батарею возможно восстановить даже до исходной
емкости, но время нормальной работы такой батареи составляет не более месяца, а часто несколько
суток. Получается - сколько везешь, столько и едешь?
Основные правила заряда.
Большинство причин сульфатации СКА связано с несоблюдением правил заряда, поэтому
рассмотрим способы заряда применительно к проведению процесса десульфатации. Основных
способов заряда аккумуляторов можно выделить три:
 заряд постоянным напряжением;
 заряд постоянным током;
 комбинированный заряд постоянным током с его уменьшением к концу заряда.
Заряд постоянным напряжением. Такой способ заряда реализован на всех автомобилях.
После запуска двигателя аккумулятор заряжается от генератора довольно большим током.
Величина этого тока в первые секунды составляет десятки ампер. Но через несколько секунд ток
сильно снижается и дальнейший заряд происходит небольшим, постепенно уменьшающимся
током. На таком-же принципе основаны недорогие зарядные устройства с балластным
сопротивлением. При достижении напряжения полного заряда процесс необходимо прекращать,
отключать ток во избежание перезаряда и выкипания электролита. В автомобиле такое отключение
производится ограничением напряжения генератора с помощью реле-регулятора.
Заряд постоянным током. Этот способ заряда является более щадящим для СКА. При
этом способе заряда следует помнить основное ограничение – заряжать нужно током величиной не
более 10% емкости батареи. К концу заряда постоянным током выделение газов от электролиза
воды становится существенным.
Комбинированный заряд. Основное время заряд производится постоянным током, но к
окончанию процесса ток уменьшается, напряжение на СКА стабилизируется. В конце заряда ток
может составлять единицы миллиампер, то есть является компенсирующим саморазряд батареи.
Так как напряжение ограничивается до порога начала электролиза воды, то выделения газов не
происходит. Такое зарядное устройство можно не отключать от батареи. Выкипания электролита
практически не происходит из-за небольших значений тока в конце процесса.
Существуют и способы заряда СКА импульсными токами. Чередование тока с паузами
иногда может благотворно воздействовать на СКА, снимать сульфатацию пластин, однако при этом
необходимо пристальное слежение за процессом заряда, учет многих параметров зарядного тока и
его частоты. Необходимо проводить контроль за состоянием плотности электролита. Приведем
наиболее частые ошибки, допускаемые при заряде импульсными токами.
1. Заряд пульсирующими токами. В целях удешевления стоимости зарядных устройств,
в некоторых из них зарядный ток формируют из синусоидального тока питающей
сети 50Гц. При этом форма зарядного тока не повторяет синусоидальную, а имеет
более сложный вид – это как-бы “обрезанные” вершины синусоиды разделенные
временем полного отсутствия тока. Такая форма зарядного тока особого вреда не
наносит, но его величина имеет решающее значение. Как правило такие зарядные
устройства имеют индикаторы – амперметры, которые показывают среднюю
величину зарядного тока, а не его амплитудные значения. А между тем, величина
пикового, амплитудного тока от такого зарядного устройства может в несколько раз
превышать рекомендуемую. Так, при среднем токе заряда в 4А, пиковые токи
достигают величины 12-16А и более. В зарядных устройствах, где дополнительно
применяется фазовое регулирование, имеется форсированный режим заряда, пиковая
величина тока может превышать значения 20-25А. Уменьшение же пиковых токов до
приемлемых величин не более 10% емкости СКА, приводит к снижению среднего
зарядного тока до 1,5-2А, что увеличивает время заряда батареи до нескольких суток.
Иногда регулировка тока в устройстве просто отсутствует и Вы ничего не можете
предпринять. Иными словами, если Вы пользуетесь таким зарядным устройством, то
Вы расшатываете частички обмазных пластин своего СКА, тем самым способствуя
нарушению прочности вещества пластин. Заметим, что такой эффект проявляется не
в течение нескольких секунд, а со временем, соизмеримым с длительностью
процесса заряда. Расшатывания пористого рабочего слоя пульсирующими токами
наиболее характерен для автомобильных стартерных СКА.
2. Заряд с циклическим режимом..Некоторые зарядные устройства имеют режим
проведения десульфатации. Однако при проведении такого процесса необходимо
сочетание определенных условий. Многие автомобилисты пользуются этим
режимом неправильно, зачастую только чтобы дозарядить батарею до конца, на
самом деле оставляют аккумулятор на длительное время и запускают процесс
кипения электролита.
Как правильно проводить десульфатацию.
Процесс десульфатации должен проводиться с применением как зарядного так и разрядного
токов. Перед проведением десульфатации батарея должна быть заряжена, проведен контроль
электролита и при необходимости в электролит должна быть добавлена вода. Интегральное
значение зарядного и разрядного токов должно соотноситься как 4:1, в некоторых случаях
рекомендуется отношение 10:1. Для чего это необходимо? Вспомним, что сульфат свинца является
непроводящим и нерастворимым веществом. Растворение происходит только в непосредственном
контакте с электролитом невысокой плотности в процессе заряда. Проводя циклы заряд-разряд с
балансом в сторону заряда, мы тем самым расшевеливаем движение электролита возле кристалла
сульфата, чем способствуем его деформации. Происходит как-бы временное растворение
кристалов при заряде и небольшое наращивание при разряде, Кристалл сульфата начинает таять. В
это время крайне важно дать электролиту перемешаться в поверхностном слое около пластин. Как
показывают исследования, диффузия электролита в поверхностном слое происходит за время
порядка 1-2 секунд. Вот с такой частотой и необходимо чередовать циклы заряда-разряда.
Проведение же процесса десульфатации только пульсирующим зарядным током без разрядного не
приводит к желаемому результату. Если зарядное устройство пульсирующего типа действует с
частотой питающей сети 50Гц, выдавая импульсные токи частотой 100Гц, то эффект
десульфатации также недостигается - электролит просто не успевает перемешиваться. Большие
пиковые токи способствуют образованию микропузырьков газа, в сочетании с кристаллическими
сульфатами еще сильнее уменьшают рабочюю поверхность пластин.
Проведение десульфатации СКА процесс довольно длительный и многие автомобилисты
интересуются – сколько времени надо его проводить? Прежде всего это зависит от степени
сульфатации, от величины и формы зарядного тока и частоты переключения циклов заряд-разряд.
Можно привести два примера проведения десульфатации. При проведении процесса с
аккумулятором емкостью 60Ач пульсирующим зарядным током 2-2,5А, разрядным – 0,5А, при
длительности цикла 45-60 секунд Вам потребуется 4-6 суток. Если правильно настроить зарядное
устройство, заряжать и разряжать аккумулятор постоянным током 4 и 1А с длительностью цикла
1,5-2 секунды, весь процесс займет около 16-20 часов.
Однако, если Ваш СКА уже имеет сильную сульфатацию, частичное осыпание рабочего
вещества пластин, разбухание и деформацию намазки, выраженные в падении емкости батареи, не
проще ли такую батарею заменить на новую? Здесь очень уместно вспомнить старый анекдот с
расхожим афоризмом: “Поздно пить Боржоми, когда почки отвалились!” Если Ваш аккумулятор
уже серьезно болен, то даже грамотно проведенная десульфатация мало ему поможет и ненадолго.
Ближайшие же разряды батареи, как уже отмечалось выше, приведут ее в состояние прежней
сульфатации и придется аккумулятор “лечить” снова.
Формула успеха.
Ко всему сказанному ранее осталось добавить еще несколько важных параметров,
характерных для СКА. Отметим, что эти параметры могут быть применены не только к
автомобильным стартерным батареям, но и к СКА другого типа.
1. В силу величины электрохимических потенциалов СКА, нормальное напряжение
аккумуляторной батареи равно 12,7В. Имея в автомобиле встроенный вольтметр,
можно контролировать напряжение батареи ежедневно. Напряжение можно
контролировать и внешним вольтметром, главное делать это регулярно, особенно в
зимнее время. Помните, городской цикл движения, стоянка в пробках, частые
остановки в пути, включение большого количества энергопотребителей (свет фар,
габариты, бензонасос, обогрев стекла, музыкальный центр, двигатель отопителя
салона и т.д.) могут буквально “высосать” энергию аккумулятора менее чем за час,
при работе двигателя на низких оборотах. Приведем некоторые значения напряжения
СКА заряженного частично:
 80%
= 12,46В;
 55%
= 12,24В;
 25%
= 12,00В;
 0%
= 11,90В.
Если при эксплуатации автомобиля регулярно проводить измерения напряжения СКА, то
легко можно обнаружить ситуацию хронического недозаряда.
2. Уровень критического напряжения полного разряда СКА составляет 1,75-1,8В на
одну банку. То есть, на всю батарею эта величина составит 10,5-10,8В. Никогда не
разряжайте СКА до этого напряжения, иначе происходит очень сильная сульфатация
пластин.
3. Как правило в автомобиле, а также при заряде многими зарядными устройствами,
напряжение окончания заряда считается 14,1-14,2В, иногда это напряжение
указывается 14,4В. Однако специалисты советуют регулярно проводить заряд СКА
до напряжения 14,8-14,9В, со снижением зарядного тока. Это напряжение является
пороговым для начала электролиза. При таком напряжении пластины аккумулятора
покрываются так называемым водородным слоем, который работает как огромный
конденсатор. Пусковой ток такого аккумулятора увеличивается на 20-30%. Правда
водородный слой исчезает даже при хранении СКА и в первые часы работы после
заряда, но он также способствует очищению пластин от сульфатов и продлевает срок
службы неповрежденного аккумулятора.
4. Не превышайте величины зарядного тока более 10% емкости аккумулятора. С
опаской относитесь к заряду пульсирующим током, помните о пиковых токах.
5. Не оставляйте аккумулятор в разряженном состоянии длительное время, особенно
зимой. Если запустить двигатель из-за низкой температуры не удалось, срочно
занесите батарею в тепло, отогрейте ее и немедленно зарядите. Вредной сульфатации
почти наверняка удастся избежать.
6. Регулярно проводите обслуживание аккумуляторной батареи. Плотность электролита
малообслуживаемого СКА необходимо контролировать не реже одного раза в год, а
обслуживаемого – чаще. Особенно это надо делать после “выкипания” воды
электролита при перезаряде батареи.
Если придерживаться указанных рекомендаций, срок эксплуатации СКА может доходить до
десяти лет и более. Главное, что аккумулятор будет служить не только долго, но и безотказно.
Перспективы развития.
Как уже отмечалось, за последние 100 лет, конструкция СКА мало изменилась. Однако в
последнее время всё большей популярностью пользуются герметизированные СКА, изготовленные
по технологии AGM. Такие аккумуляторы давно используются в системах автономного и
бесперебойного питания и обладают рядом преимуществ особенно в вопросах механической
прочности. Они допускают работу даже в перевернутом состоянии или на боку, устойчивы к
вибрации, электролит из них не вытекает. Материал губчатого вещества пластин связан при
помощи так называемых стекломатов и практически не подвержен разрушению и осыпанию.
Однако у этого типа акуумуляторов есть два больших недостатка — малый зарядный ток и
невозможность использования в системе пуска двигателя автомобиля из-за малой величины
разрядного тока. Это связано с гораздо меньшей подвижностью гелевого электролита.
Недавно компания «Варта» объявила о начале выпуска гелевых автомобильных
аккумуляторов по технологии AGM, емкостью до 100Ач, которые способны обеспечивать большие
величины стартерных токов. Срок службы таких батарей превышает 10 лет, но при условии
недопущения сульфатации, которой они также подвержены, хотя и в меньшей степени. В
настоящее время уже три компании в мире выпускают такие автомобильные гелевые
аккумуляторы. В Германии все вновь выпускаемые автомобили оснащаются батареями,
изготовленными по технологии AGM. В России такие аккумуляторы практически не появлялись в
продаже, но можно сказать, что в первое время, несмотря на высокие цены, будет наблюдаться
дефицит гелевых автомобильных аккумуляторов. Так что пока нам придется довольствоваться
изделиями со свободным электролитом.