Устройство автомобильного аккумулятора: из чего состоит АКБ

Автомобильный аккумулятор снаружи выглядит как серая пластиковая коробка с двумя клеммами. Внутри — сложная электрохимическая система, где свинец и серная кислота превращают химическую энергию в электрическую и обратно. Понимать устройство АКБ полезно не для теории: это помогает правильно эксплуатировать батарею, вовремя заметить проблему и не угробить дорогую замену за пару сезонов.

Зачем аккумулятор нужен в автомобиле: основные функции

АКБ в машине решает три задачи. Первая и главная — запуск двигателя. Стартер потребляет от 100 до 400 А в момент прокрутки, и только батарея способна отдать такой ток за доли секунды. Генератор на такое не способен — он работает только от вращающегося двигателя.

Вторая задача — питание электроники при выключенном двигателе. Сигнализация, центральный замок, память блоков управления — всё это живёт от аккумулятора. Современный автомобиль потребляет в режиме покоя от 15 до 50 мА, а некоторые с развитой мультимедийной системой — до 80-100 мА.

Третья задача — сглаживание пиков нагрузки при работающем двигателе. Когда одновременно включаются обогрев заднего стекла, вентилятор и фары, генератор может не покрыть весь ток. АКБ в этот момент подхватывает нагрузку как буфер.

Из каких частей состоит АКБ: корпус, крышка, клеммы

Корпус современного аккумулятора делают из полипропилена — он химически стоек к серной кислоте, выдерживает вибрацию и температуры от -40 до +60 C. Толщина стенок у качественных батарей 3-4 мм. Тонкостенные корпуса из дешёвого материала трескаются от вибрации и температурных перепадов.

Крышка герметично запаяна с корпусом или привинчена. На необслуживаемых АКБ она цельная, на обслуживаемых — с пробками над каждой из шести секций. Под пробками находятся заливные отверстия для доливки дистиллированной воды.

Клеммы — конусные выступы из свинца или свинцового сплава. Плюсовая клемма толще: диаметр у основания 19,5 мм, минусовой — 17,9 мм. Это сделано специально, чтобы исключить неправильное подключение. Маркировка «+» и «-» продавлена или отлита на крышке рядом с каждой клеммой. Подробнее о правилах подключения: Прямая и обратная полярность аккумулятора.

Пластины и сепараторы: сердце аккумулятора

Внутри каждой из шести секций — пакет чередующихся пластин. Положительные пластины — решётка из свинцового сплава, заполненная диоксидом свинца (PbO2). Цвет — тёмно-коричневый, почти чёрный. Отрицательные пластины — такая же решётка, но заполненная губчатым свинцом (Pb). Цвет серый.

Пластин в секции обычно от 6 до 17 пар — зависит от ёмкости батареи. Чем больше пластин и чем они тоньше, тем больше площадь контакта с электролитом и выше пусковой ток. У стартерных батарей для мощного запуска пластин больше, но они тонкие. У тяговых (для грузовиков или спецтехники) — меньше, зато толще, что даёт большую ёмкость и ресурс.

Между положительными и отрицательными пластинами стоят сепараторы — пористые листы из микропористого полиэтилена или ПВХ. Их задача — не дать пластинам замкнуться напрямую, но пропускать электролит. Толщина сепаратора около 1 мм. В AGM-аккумуляторах сепаратор заменён стекловолоконным матом, пропитанным электролитом.

Электролит: что это за жидкость и какова её роль

Электролит — водный раствор серной кислоты (H2SO4). Для полностью заряженного аккумулятора плотность раствора составляет 1,27-1,28 г/см3 при температуре +25 C. Это значит: на 100 мл раствора примерно 36 мл серной кислоты и 64 мл дистиллированной воды.

Плотность электролита меняется в зависимости от заряда батареи. При полном заряде — 1,27-1,28 г/см3. При разряде до 50% — около 1,20 г/см3. При глубоком разряде — 1,10-1,12 г/см3. Именно поэтому плотность можно измерить ареометром и узнать реальное состояние батареи без нагрузочных тестов.

Долить в аккумулятор можно только дистиллированную воду. Кислоту не доливают: при испарении уходит вода, концентрация кислоты увеличивается, поэтому восстанавливают именно водный баланс. Водопроводная вода содержит хлор, соли, примеси железа — они оседают на пластинах и сокращают ресурс батареи в разы.

Как устроены шесть секций и почему на выходе 12 вольт

АКБ разделён внутри на шесть отсеков — секций (элементов). Каждая секция — самостоятельная электрохимическая ячейка с набором пластин и электролитом. Напряжение одной секции в заряженном состоянии — 2,1-2,15 В.

Все шесть секций соединены последовательно. По закону сложения напряжений: 6 x 2,1 В = 12,6 В. Именно такое напряжение показывает полностью заряженная батарея без нагрузки. Напряжение 12,4 В означает заряд около 75%, 12,0 В — около 40%, ниже 11,8 В — батарея разряжена. Подробнее о нормах напряжения: Напряжение автомобильного аккумулятора: норма.

Соединение секций проходит через межсекционные перемычки — свинцовые перегородки внутри корпуса. Повреждение одной секции выводит всю батарею из строя: напряжение падает на 2 В, и машина либо запускается с большим трудом, либо не запускается вовсе.

Принцип работы: как химия превращается в электричество

При разряде (когда аккумулятор отдаёт ток) происходят электрохимические реакции. На положительной пластине диоксид свинца (PbO2) реагирует с серной кислотой, восстанавливается до сульфата свинца (PbSO4) и отдаёт электроны во внешнюю цепь. На отрицательной пластине губчатый свинец (Pb) тоже превращается в сульфат свинца, поглощая электроны из внешней цепи.

Суммарная реакция разряда: Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O

Серная кислота расходуется, образуется сульфат свинца и вода. Плотность электролита падает.

При заряде процесс идёт в обратном направлении: внешний ток (от генератора или зарядного устройства) разлагает сульфат свинца обратно на свинец, диоксид свинца и серную кислоту. Плотность электролита растёт.

Именно обратимость этой реакции делает аккумулятор перезаряжаемым. Теоретически — бесконечно. На практике каждый цикл заряда-разряда оставляет небольшое количество нерастворённого сульфата, пластины постепенно деградируют, и через 3-5 лет ёмкость падает до 60-70% от номинала.

Разряд и заряд: что происходит с пластинами

Пластины в процессе работы постоянно меняют свой химический состав и немного — физический размер. При разряде пластины слегка расширяются из-за образования сульфата свинца. При заряде — сжимаются обратно. Многократное расширение-сжатие разрушает активную массу: она осыпается на дно корпуса в виде тёмного шлама. Накопление шлама — одна из причин деградации старых батарей.

Критически опасен глубокий разряд — ниже 10,5 В. При таком уровне на пластинах образуется крупнокристаллический сульфат свинца, который практически не растворяется при обычной зарядке. Это и есть сульфатация — главный убийца аккумуляторов, которые долго стоят без подзарядки или регулярно разряжаются в ноль.

Скорость заряда тоже имеет значение. При быстрой зарядке большим током (выше 1/10 от ёмкости) выделяется водород и кислород — газы, которые «кипятят» электролит и могут деформировать пластины. Правильный ток зарядки для обычной батареи — 1/10 от номинальной ёмкости. Для батареи 60 Ач это 6 А.

Обслуживаемые и необслуживаемые АКБ: в чём разница конструкции

Обслуживаемые аккумуляторы (старый тип) имеют пробки над каждой секцией. Пластины в них сделаны из классического свинцово-сурьмянистого сплава (содержание сурьмы 4-6%). Сурьма снижает твёрдость и упрощает отливку решёток, но увеличивает саморазряд и газовыделение при заряде. Воду приходится доливать каждые 10 000-15 000 км.

Необслуживаемые АКБ — свинцово-кальциевая технология (Ca/Ca). Кальций (0,08-0,1%) вместо сурьмы снижает газовыделение, уменьшает саморазряд до 3-4% в месяц против 15-20% у сурьмянистых, и позволяет запаять корпус герметично. Воду в таких батареях доливать не нужно — и физически невозможно на большинстве моделей.

AGM-аккумуляторы (Absorbent Glass Mat) устроены иначе: электролит не жидкий, а впитан в стекловолоконный мат. Батарея герметична, может работать в любом положении, выдерживает глубокие разряды лучше обычных. Минус — высокая цена, чувствительность к перезаряду. Применяется на автомобилях с системой «старт-стоп». Сравнение технологий: Автомобильный аккумулятор: как выбрать.

EFB (Enhanced Flooded Battery) — промежуточный вариант: улучшенная жидкоэлектролитная батарея со специальными сепараторами и добавками в активную массу. Дешевле AGM, но лучше переносит частые циклы заряда-разряда, чем обычная Ca/Ca батарея.

Основные параметры АКБ: ёмкость, пусковой ток, резервная ёмкость

Ёмкость (Ач, ампер-часы) — количество заряда, которое батарея отдаёт при разряде током C/20 (1/20 от ёмкости) до напряжения 10,5 В при температуре +25 C. Батарея 60 Ач разряжается током 3 А за 20 часов. Это паспортный, «лабораторный» параметр. В реальных условиях при холодном пуске доступная ёмкость меньше.

Пусковой ток (A, CCA по SAE или EN по европейскому стандарту) — ток, который батарея способна отдавать 30 секунд при -18 C, не опускаясь ниже 7,2 В (SAE) или 10 секунд при -18 C до 7,5 В (EN). Для легковых автомобилей типичные значения: 400-700 А по EN. Для дизельных двигателей большого объёма нужно 700-900 А и выше. Этот параметр важнее ёмкости для холодного климата.

Резервная ёмкость (RC, минуты) — время, в течение которого батарея выдаёт 25 А при +25 C до достижения 10,5 В. Показывает, сколько минут можно ехать с неработающим генератором. Для батареи 60 Ач типичное RC — 90-100 минут.

На корпусе батареи всегда есть маркировка. Пример: 6CT-60 A3 означает 6-клеточный (12 В) аккумулятор, 60 Ач, исполнение А3 (полярность и расположение клемм). Европейская маркировка: 560 901 068 — первые три цифры ёмкость в Ач (560->60 Ач), следующие три — пусковой ток (901->540 А по EN), последние три — порядковый номер.

Часто задаваемые вопросы

Аккумулятор выдаёт постоянный или переменный ток?

Только постоянный. АКБ — химический источник тока, он всегда отдаёт постоянное напряжение. Переменный ток вырабатывает генератор, но выпрямитель преобразует его в постоянный для зарядки батареи.

Почему в аккумуляторе именно 12 вольт, а не другое напряжение?

Внутри шесть последовательно соединённых секций, каждая даёт около 2 В. Шесть секций по 2 В = 12 В. Это исторически сложившийся стандарт для легковых автомобилей с 1950-х годов.

Что такое сульфатация и почему она убивает аккумулятор?

При глубоком разряде на пластинах осаждается крупнокристаллический сульфат свинца. Он плохо растворяется при зарядке, уменьшает рабочую площадь пластин и снижает ёмкость. Запущенная сульфатация необратима.

Можно ли самому долить воду в аккумулятор?

Только дистиллированную воду — если батарея обслуживаемая и уровень электролита упал ниже минимума. Обычную водопроводную воду лить нельзя: соли и примеси разрушают пластины.

Чем необслуживаемый аккумулятор отличается от обычного конструктивно?

Необслуживаемые АКБ используют свинцово-кальциевые или AGM-технологии: пластины с добавками кальция или стекловолоконный сепаратор, удерживающий электролит. Испарение воды минимально, пробки для доливки не нужны.

Почему аккумулятор в мороз садится быстрее?

На холоде вязкость электролита растёт, химические реакции замедляются. Ёмкость батареи при -18 C падает примерно до 60% от номинала. Одновременно двигателю нужен больший пусковой ток для прокрутки загустевшего масла.

Коротко о главном

Внутри аккумулятора шесть последовательных секций по 2 В каждая — отсюда стандартные 12 В для легковых автомобилей.
Рабочие элементы — свинцовые пластины двух типов: диоксид свинца (плюс) и губчатый свинец (минус), разделённые пористыми сепараторами в растворе серной кислоты.
При разряде свинец превращается в сульфат свинца, кислота расходуется. При заряде процесс обратный — поэтому АКБ перезаряжаемый.
Глубокий разряд ниже 10,5 В запускает сульфатацию — образование нерастворимых кристаллов на пластинах, которая необратимо снижает ёмкость.
Необслуживаемые Ca/Ca и AGM-батареи герметичны, почти не теряют воду, но чувствительны к перезаряду — важно использовать зарядное устройство с ограничением напряжения.
Пусковой ток (CCA/EN) важнее ёмкости для холодного климата: именно он определяет, заведётся ли машина при -20 C.