Výběr autobaterie: Pravidla designu a výběru — AVTOkapitan

V tomto článku se s vámi podělíme o naše zkušenosti s typy a provedením autobaterií, jejich vlastnostmi, ale i správným výběrem a značením ruských (evropských, asijských a amerických) výrobců baterií, včetně drahých AGM, AFB a gelových baterií. Ve spodní části článku najdete odborné hodnocení baterií.

Z tohoto článku se dozvíte všechny potřebné informace o konstrukci, výběru a provozu autobaterií.

Je běžné přirovnávat motor auta k lidskému srdci a toto srovnání je pravdivé nejen kvůli jejich důležitosti. K provozu potřebují elektřinu, a zatímco ji vyrábí sinoatriální uzel v jedné ze srdečních síní, spalovací motor vyžaduje baterii. Slouží ke spouštění pohonné jednotky a jako doplňkový zdroj energie pro palubní elektrický systém. U automobilu lze baterii vzhledem k její omezené životnosti považovat za spotřební materiál. Životnost závisí na správné volbě, provozních podmínkách a údržbě. Co je tedy baterie a co by mělo být ve vašem autě? Jak prodloužit její životnost a z jakých důvodů selhává baterie?

Zařízení na baterie

Na obrázku jsou základní prvky autobaterie.

Vysvětlení symbolů:

1. bydlení;
2. záporná elektroda (deska);
3. oddělovač;
4. kladná elektroda (deska);
5. baretka;
6. podpůrné hranoly;
7. kryt;
8. plnicí zátka;
9. pozitivní závěr;
10. meziprvková propojka (spojovací můstek);
11. negativní závěr

Konstrukce baterie

Vozy jsou vybaveny olověnými startovacími bateriemi. Jejich design se neustále zdokonaluje, ale obecná myšlenka zůstává stejná – základem autobaterie je 2V baterie.

Podle tohoto kritéria se vyrábí několik typů baterií:

• 6V — používané na ultralehkých zařízeních;
• 12V — instalované na všech typech osobních a nákladních automobilů s benzínovými motory;
• 24V – určeno pro těžká nákladní vozidla.

Je snadné odhadnout, že baterie používá určitý počet baterií – 3, 6 a 12 zapojených do série.

Olověná baterie oslavila v roce 2009 své 150. výročí; je nejrozšířenějším typem baterie, jejíž princip činnosti je založen na reakci mezi oxidem olovnatým a olovem, ke které dochází při kontaktu s kyselinou sírovou o určité koncentraci. Při zatížení baterie se olovo na záporné elektrodě oxiduje a během nabíjení se obnovuje. Moderní výzkumy ukázaly, že během provozu baterie dochází k více než 60 chemickým reakcím různé složitosti! Jedním z nich je elektrolýza vody, při které dochází ke ztrátě rozpouštědla a změně hustoty elektrolytu, takže do servisovaných baterií se pravidelně přidává voda.

Hlavním prvkem autobaterie je olověná elektroda s mřížkovou strukturou. Není vyroben z čistého olova, ale ze slitiny, jejímž hlavním doplňkovým prvkem je vápník. Dnes se v reklamě často můžete setkat s pojmem „kalciová baterie“. Nejde o nic jiného než o marketingový tah, jelikož tento lehký kov používají při výrobě elektrod všechny firmy vyrábějící bezúdržbové baterie. Vápník poskytuje baterii vysokou odolnost proti varu. Mezi další prvky přidané do slitiny olova patří zlato, cín a stříbro. Používají se ke zlepšení antikorozních vlastností elektrod, které jsou v poměrně agresivním prostředí.

Mezi hlavní výhody olověných-vápenatých elektrod:

• minimální úroveň samovybíjení;
• minimální spotřeba vody;
• ztráta poloviny kapacity během jednoho a půl roku;
• dostupné výrobní náklady.

Zkušení řidiči jsou dobře obeznámeni s konstrukcí elektrod – pro děti sovětského období to byl hlavní zdroj olova používaného k tavení důležitých a užitečných věcí pro hry. Elektrody baterie jsou mřížkové desky z kovu s nízkou teplotou tání.

Navzdory stejné vnější struktuře jsou záporné a kladné elektrody moderních baterií vyráběny různými technologiemi. Při výrobě záporných elektrod výrobci používají metodu děrování plechu ze slitiny olova s ​​následným tažením. Tato technologie se nazývá Expanded Metal a používají ji všechny společnosti vyrábějící baterie. Záporná elektroda je pokryta aktivní hmotou houbovitého olova.

Kladné elektrody jsou vyráběny různými technologiemi navrženými tak, aby zajistily minimální lineární roztažnost. Nejpokročilejší metodou je protažení vnitřních žil olověné slitiny v různých směrech a jejich upevnění k pevnému rámu. Tato technologie se nazývá Power Frame a používá se u nejmodernějších baterií. Jednodušší kladné elektrody mají vnitřní žíly uspořádané buď do šachovnicového vzoru nebo svisle. Stejně jako záporné elektrody jsou pokryty aktivní hmotou, kterou je oxid olovnatý.

Každá dvouvoltová baterie se skládá ze střídajících se desek kladných a záporných elektrod, které jsou od sebe navzájem izolované plastovým oddělovačem. Elektrody jsou ponořeny do roztoku elektrolytu, což je poměrně agresivní řešení. Před únikem je chráněna polyetylenovým pouzdrem, které je odolné vůči anorganickým kyselinám. Pro připojení k napájecímu systému vozidla se používají dva terminály ze slitiny olova. Jejich polarita je zvláště důležitá; „+“ může být umístěno vpravo nebo vlevo. Je třeba si uvědomit, že kladný pól má větší průměr než záporný. Aby nedošlo k záměně pólů při zapojování, používá se další možnost pojištění – kabeláž se vyrábí v různých délkách a pokud není možné baterii správně připojit k napájecímu systému, pak se vyplatí znovu zkontrolovat, zda není zaměněna polarita.

Vylepšení designu baterie

Moderní vozy jsou vybaveny bezpečnostními systémy, které kladou zvýšené nároky na startovací proud baterie a odolnost proti hlubokému vybití. To nutí konstruktéry vylepšovat baterie zaváděním nových technologií.

Nejoblíbenější z nich jsou:

• Materiál absorbované sklo — retence elektrolytu pomocí mikroporézního materiálu;
• Vylepšená zaplavená baterie – použití elektrod s povlakem z mikrovlákna;
• Ventilem řízená olověná baterie — ventilační systém s ventily, které zajišťují utěsnění baterie.

Baterie AGM se nazývají baterie s netekutým elektrolytem. Mikroporézní materiál separátoru nejen absorbuje kyselinu a zajišťuje maximálně těsný kontakt s elektrodami. V jeho struktuře vždy zůstávají volné dutiny, ve kterých dochází k rekombinaci plynů vzniklých v důsledku elektrolýzy vody. Díky tomu není potřeba přidávat rozpouštědlo, což zvyšuje životnost baterií.

Mezi další výhody konstrukce baterie s adsorbovaným elektrolytem patří:

• dobrá vodivost sklolaminátového separátoru;
• nízký vnitřní odpor;
• schopnost dodávat vyšší proudy;
• zvýšená hustota obalů zabraňuje drobení aktivní hmoty;
• odolnost vůči hlubokým výbojům;
• Baterie funguje v libovolné poloze v prostoru;
• prodloužená životnost.

Baterie AGM se dnes instalují do vozů se systémem start-stop, které spotřebovávají velké množství elektrické energie, a také do vozidel zvláštního určení vybavených velkým množstvím elektrické výzbroje. Většina odborníků se shoduje, že v blízké budoucnosti nahradí baterie tohoto typu baterie s tekutým elektrolytem ve všech autech.

baterie EFB má větší olověné elektrody, z nichž každá je umístěna v sáčku z mikrovlákna. Tato konstrukce zajišťuje těsné přilnutí k povrchu desky, což zaručuje odolnost proti hlubokým výbojům.

Mezi další výhody této technologie patří:

• zvýšený zdroj;
• snížená korozní aktivita elektrolytu;
• je použito 3krát méně elektrolytu;
• rychlost nabíjení zvýšena o 45 %;
• V závislosti na modelu jsou parametry startovacího proudu o 30–50 % vyšší než u běžných baterií;
• pracovat v širokém teplotním rozsahu;
• mají nižší cenu než baterie AGM.

Baterie EFB byly původně vyvinuty pro vozidla se systémem start-stop a lze je použít v moderních modelech vozidel.

Baterie VRLA nejsou průlomem v technologii baterií jako AMG nebo EFB. Jedná se o vylepšenou klasiku, která řeší problém poklesu hladiny vody při elektrolýze. Instalací ventilů je systém hermeticky utěsněn, v důsledku čehož plyny uvolňované při vzniku elektřiny vzájemně interagují a tvoří vodu. Pouze při kritických hodnotách tlaku plynu, ke kterým dochází při vysokém výbojovém napětí, fungují ventily a zajišťují bezpečnost systému. Takové baterie mají zvýšenou životnost.

Hlavní technické parametry

Při výběru baterie se musíte řídit technickými vlastnostmi zařízení. Mezi hlavní provozní parametry baterie patří:

• kapacitní — maximální množství elektřiny, které baterie vydá, když se vybije na maximální přípustnou hodnotu. Měřeno v ampérhodinách, čím vyšší je tato hodnota, tím déle bude baterie pracovat bez dalšího nabíjení. Existuje přímá úměra mezi kapacitou a teplotou naplněného elektrolytu, režimem vybíjení a intenzitou vybíjecího proudu, konstrukcí elektrod a stupněm opotřebení. Pro osobní automobil s motorem o objemu 1,6 litru by byla optimální baterie 55 Ah, pro crossover s motorem 2 litry – 66 Ah, pro středně těžká nákladní vozidla je instalována baterie s kapacitou 90 Ah;
• studený startovací proud — množství proudu, které může baterie dodat do startéru v okamžiku startování. To je klíčový parametr pro regiony s velkým počtem chladných dnů v roce. Záleží na technologii výroby baterií, materiálech elektrod a stupni jejich opotřebení. Nejvyšší startovací proudy mají baterie určené pro dieselové motory. Během provozu se studený startovací proud snižuje, protože to není konstantní hodnota. Stanoveno při teplotě -18ºС vybíjením po dobu 30 sekund se startovacími proudy;
• stupeň nabití — tento parametr lze určit hustotou elektrolytu, napětím, které se porovnává s pasovými údaji baterie;
• vnitřní odpor — bere v úvahu odpor všech vnitřních prvků baterie, zvyšuje se s poklesem hodnoty nabití a poklesem teploty; elektromotorická síla – napětí na svorkách baterie bez vnější zátěže, roste s rostoucí hustotou elektrolytu a teplotou. Analýza této charakteristiky nám umožňuje určit zkrat desek;
• polarita baterie — vyrábí se dva typy baterií, oba mají zvětšený průměr kladného pólu;
• technologické provedení — v závislosti na konstrukčních prvcích existují tři typy baterií: servisní, bezúdržbové a bezúdržbové. Nejběžnější typ je nenáročný na údržbu; vyžadují pravidelné doplňování elektrolytu a udržování jeho optimální hustoty. Bezúdržbové baterie postupně dobývají trh, nevyžadují doplňování elektrolytu, ale jsou drahé. V provozuschopných bateriích, které se dnes prakticky nevyrábějí, se pravidelně mění elektrolyt a pravidelně se mění plechovky.

Baterie se mohou lišit hmotností a velikostí a životnost většiny modelů je omezena na 3-4 roky. Při správné péči o baterii lze její životnost prodloužit na 6-7 let.

Samovybíjení baterie

Během nečinnosti baterie se kapacita baterie postupně snižuje, což je proces nazývaný samovybíjení. V obchodech se plně nabité baterie skladují nejdéle rok. Kapacita se vybíjí nezávisle v důsledku elektrochemických procesů probíhajících na elektrodách. Hlavní složka slitiny olova, ze které jsou vyrobeny záporné elektrody, poměrně aktivně interaguje s kyselinou sírovou. Uvolňuje se vodík a množství olova ve slitině postupně klesá.

V pracovní baterii je vodivý film vytvořený na povrchu směsí prachu, vody a uvolněného elektrolytu. To vytváří nejpříznivější podmínky pro samovybíjení, proto se doporučuje udržovat baterii v čistotě.

Pokles kapacity má řadu funkcí, jejichž znalost vám umožní snížit rychlost a velikost samovybíjení:

• čím čistší je kyselina sírová a destilovaná voda použitá při přípravě elektrolytu, tím nižší je samovybíjení, z tohoto důvodu se nedoporučuje používat kontaminovanou kyselinu sírovou používanou v průmyslu;
• rychlost samovybíjení klesá s klesající teplotou; při záporných teplotách se kapacita prakticky nesnižuje, proto se doporučuje skladovat baterii ve vhodných podmínkách;
• hluboké vybití baterie zvyšuje rychlost samovybíjení;
• Čím delší je životnost baterie, tím intenzivnější je samovybíjení a tím více pozornosti je třeba věnovat údržbě baterie.

Samovybíjení je přirozený jev, ale jeho rychlost je různá. Optimální hodnota je pokles kapacity o 1 % během dne.

Označení baterie

Stejně jako čtení štítků pomáhá enologům vybrat perfektní víno pro jejich sbírku, štítky baterií vám pomohou vybrat nejlepší baterii pro váš vůz. Navzdory existenci mezinárodních norem používají výrobci vlastní označení, která se na různých kontinentech liší. Vědět, jak porozumět značení, vám pomůže získat informace, na které se prodejce nechce soustředit a které mohou být relevantní během provozu.

Příklady značení

Na každé baterii najdete značky, které můžete dešifrovat pomocí níže uvedených algoritmů.

Dobíjecí baterie a v každodenním životě jim říkáme „baterie“ se nyní používají všude kvůli vzniku rostoucího počtu různé elektroniky (například smartphony, notebooky, tablety, fotoaparáty atd.). Obecně jsou baterie v elektrotechnice široce chápány jako speciální zařízení, která jsou schopna jak akumulovat náboj, tak jej vybíjet v závislosti na situaci. Od svého vzniku byla tato zařízení výrazně modernizována a nyní usnadňují lidský život v různých oblastech. Ale navzdory rozšířenému používání baterií je jen málo spotřebitelů plně obeznámeno se specifiky jejich fungování, a tedy s pravidly pro jejich použití. Hlavním účelem jakéhokoli typu baterie – jedná se o akumulaci elektrické energie pro její následné využití při provádění jakýchkoliv prací většího rozsahu.

Kromě výše uvedených baterií používaných v moderní digitální technologii existují vážnější zařízení. Jedním z nich je hydraulický akumulátor, který se obvykle používá v zámkech. Takové baterie jsou schopné zvednout lodě do vyšších úrovní říčních koryt.

Elektrický akumulátor funguje na podobném principu jako hydraulické zařízení. To znamená, že elektřina je zpočátku akumulována v zařízení z externího zdroje. Poté je převeden na spotřebitele a použit k provádění určitých prací. Tyto baterie jsou chemické a vyznačují se možností opakovaného nabíjení/vybíjení.

Během nabíjecího procesu v baterii nepřetržitě probíhají určité chemické reakce mezi deskami elektrod a chemikálií, která vyplňuje prostor mezi nimi. Poslední látka se nazývá elektrolyt.

Primitivním způsobem lze schéma baterie znázornit následovně: uvnitř pouzdra je dvojice kovových desek vybavených speciálními vodiči pro kontakty a mezera mezi nimi je vyplněna elektrolytem.

Provoz baterie při vybíjení a nabíjení

Uzavřeným elektrickým obvodem protéká výbojový proud. Například při připojení k zátěžovým elektrodám. Tento proud je tvořen elektrony pohybujícími se v kovových prvcích a také anionty a kationty, které jsou v elektrolytu.

Tento proces je schematicky znázorněn na obrázku s nikl-kadmiovými elektrodami. Materiálem kladné elektrody je oxid niklu s přídavkem grafitu, který zvyšuje elektrickou vodivost. Základem záporně nabité elektrody je kadmiová houba. Při výboji se mikročástice aktivního kyslíku uvolňují z oxidu niklu do elektrolytu, poté jsou přeneseny na záporně nabité desky. Zde dochází k oxidaci kadmia.

Při bez zátěže je na svorky desek vyrobených z homogenního kovu přiváděno konstantní (méně často pulzující) napětí. Toto napětí je o něco vyšší než napětí nabíjené baterie.

Všechny nabíječky mají mnohem větší výkon, schopný potlačit energii nevyužitou baterií. V důsledku toho vzniká elektrický proud, jehož směr je opačný než směr výboje. Současně dochází ke změnám chemických procesů. Je důležité si uvědomit, že procesy vybíjení a nabíjení mění chemické složení elektrod. Elektrolyt nevykazuje žádné změny. Jak lze připojit baterie?

Baterie lze vzájemně propojit dvěma způsoby: paralelním připojením a sériovým připojením.

Paralelní metoda

Úroveň vybíjecího proudu, kterou může pouzdro baterie odolat, přímo závisí na různých faktorech. Velmi důležitými body jsou například konstrukční prvky, použité materiály a rozměry. Čím větší je plocha dostupných desek, tím větší je schopnost odolat velkým proudům.

Tento princip je založen na paralelním zapojení baterií stejného typu při stávající potřebě zvýšení zatěžovacího proudu. V této situaci bude nutné zvýšit výkon napájecího zdroje.

Tato metoda se v hotových návrzích používá velmi zřídka, protože dnes je mnohem pohodlnější koupit plnohodnotnou baterii. V zásadě se paralelní metoda používá při výrobě kyselých autobaterií pro spojování desek do jednoho celku.

Sekvenční metoda

V bateriích oblíbených v domácnosti dosahuje napětí mezi deskami 1,5 V nebo 2 V (tento indikátor je ovlivněn i použitým materiálem). Většina používaných elektrických zařízení vyžaduje vyšší napětí. K tomu jsou baterie stejného typu zapojeny do série a umístí je pod jeden kryt. Nejvýraznějším příkladem je autobaterie, která je založena na kyselině sírové a olověných elektrodových deskách.

Všimněme si důležitého a zajímavého faktu: dnes jsou automobiloví nadšenci zvyklí nazývat jakýkoli zdroj energie baterií, což není tak úplně pravda. Například správný název přímo závisí na počtu základních prvků. Pokud je tedy několik takzvaných „plechovek“ propojeno jedním obvodem, jedná se již o baterii a ve zkrácené formě AKB je autobaterie.

Každá „plechovka“ obsahuje dva bloky s destičkami, z nichž některé jsou určeny pro záporné elektrody a některé pro kladné. Tyto bloky nemají mezi sebou kovový kontakt, ale mají silné galvanické spojení prostřednictvím elektrolytu.

Mezi kontaktními deskami je instalován separátor – separátor ve formě dodatečné mřížky pro zvětšení vzdálenosti. Desky spojené do bloků tak zvyšují výkon napájených zátěží.

Pouzdro baterie je vyrobeno z odolného plastu a je těsně uzavřeno víkem. Nahoře jsou dvě svorky používané pro připojení k elektrickému obvodu vozu. Každá svorka musí být označena značkami polarity, a to značkami „+“ a „-“. Aby se zabránilo chybnému připojení, kladný pól má větší průměr než záporný.

Nad každou nádobou je také speciální hrdlo, které je určeno ke sledování hladiny elektrolytu a také k doplnění vody v případě potřeby během provozu. Hrdlo je uzavřeno zátkou, aby se zabránilo vniknutí cizích částic dovnitř plechovky a aby se zabránilo vylití elektrolytu při pohybu baterie.

Zátky mají otvory, které slouží jako výstupy pro plyny v elektrolytu, které vznikají při rychlé jízdě. To zabraňuje vytváření tlaku uvnitř plechovek. To znamená, že přes otvory zátek uniká kyslík a vodík a také páry tvořené elektrolytem. Samozřejmě je lepší se vyhnout situacím, které vznikají kvůli vysokým nabíjecím proudům.

Olověné baterie jsou založeny na principu dvojité sulfatace. V takových zařízeních dochází během nabíjení nebo vybíjení k elektrochemickým procesům, které mění chemické složení hlavní části aktivních elektrod, buď uvolňují vodu na kyselinu sírovou, nebo ji absorbují z elektrolytu. Právě tyto nuance vysvětlují zvýšení hustoty elektrolytu během nabíjení a také jeho snížení během vybíjení. Míra hustoty je tedy indikátorem stavu baterie. Pro účely měření se používá speciálně navržené zařízení – hustoměr.

Jak bylo uvedeno výše, elektrolyt kyselých baterií obsahuje vodu. Je známo, že při nízkých teplotách mrzne. Proto, aby nedošlo k zamrznutí baterie s nástupem chladného počasí, je nutné dodržovat všechna provozní pravidla.

Dnes výrobci vyrábějí přes 30 baterií. Produkty se liší složením elektrod a samotným elektrolytem. Například 12 oblíbených typů je založeno na lithiu.

Elektrody mohou být vyrobeny z olova, železa, lithia, titanu, kobaltu, kadmia, niklu, zinku, vanadu, stříbra, hliníku atd. Vlastnosti a charakteristiky baterie a tím i rozsah použití závisí na tom, jaké látky jsou použity v elektrodách.

Olověné baterie se například používají v UPS, vozidlech a napájecích systémech kvůli jejich vysoké schopnosti odolat enormnímu krátkodobému zatížení.

Standardní galvanické baterie jsou nyní nahrazovány nikl-kadmiovými, nikl-zinkovými a nikl-metal hydridovými bateriemi.

Mobilní zařízení a další digitální zařízení, stejně jako elektrické nářadí, používají lithium-iontové a lithium-polymerové baterie.

Baterie se také liší typem použitého elektrolytu. Zařízení jsou tedy alkalická a kyselá.

Zařízení jsou také klasifikována podle účelu. Například dnes jsou oblíbené zejména externí baterie, které šetří majitele moderních smartphonů v situacích, kdy je nelze dobíjet ze sítě.

Důležité vlastnosti baterie jsou kapacita, hustota energie, samonabíjení a provozní teplota.

Obchodní řetězec Planet Electric má ve svém sortimentu baterie.