Автомобилен акумулатор е тип акумулатор, доставящ електрическа енергия в автомобила. Най-често е оловно-киселинен, изобретен през 1859 г. от френския физик Гастон Планте (Gaston Planté). Макар че се е променил от гледна точка на конструкция, акумулаторът, който се използва днес в автомобилите, е изработен от последователно свързани 2-волтови елементи, всеки от които е абсолютно подобен на елемента на Гастон Планте. Свободните, несвързани изводи на крайните елементи са изведени върху корпуса във вид на цилиндрични полюси (+ и –), от които по-дебел е положителният (фиг. 1).
Акумулаторът може да бъде стартерен, доставящ електричество до стартера, светлините и запалителната система на двигателя, или тягов – използван като основен източник на енергия в електромобила.
Устройство и принцип на действие Оловно-киселинен акумулатор Конвенционалните автомобилни акумулатори са оловно-киселинни акумулаторни батерии, осигуряващи напрежение от 12 V (по-точно 12,6 V без товар). За тази цел те съдържат шест галванични клетки, свързани последователно, всяка от които има номинално напрежение от 2 до 2,1 V (фиг. 4).
При такова свързване [(–+)(–+)(–+)(–+)(–+)(–+)] (фиг. 2) се сумират напреженията им. За да се постигне номинално напрежение от 6 V или 24 V, е необходимо да се свържат последователно съответно 3 или 12 такива клетки. Както и при другите акумулатори от този тип, клетката е съставена от 2 електрода, всеки във вид на свързани успоредни пластини за увеличаване на площта им: отрицателният (–) е направен от олово (на фиг. 2 сиви), а положителният (+) – от оловен диоксид (кафяви). Решетките от пластини на електродите са поставени една срещу друга и разделени от сепараторни пластини (оранжеви). Те са потопени в електролит (фиг. 2,3). В зависимост от консистенцията на електролита, оловно-киселинните батерии се разделят на така наречените акумулатори с „мокри клетки“ и акумулатори с регулирана клапа (VRLA). Акумулаторите VRLA могат да бъдат с руно (изолирана стъклена подложка – AGM) или гел. Електролитът на мокрите клетки е съставен от приблизително 35 % сярна киселина и 65 % дестилирана вода. Вследствие на протичащата електрохимична реакция химическата енергия се превръща в електрическа. При разреждането на акумулатора материалът на електродите реагира с киселината от електролита, превръщайки се и в двата случая в оловен сулфат. Когато акумулаторът се зарежда, протича обратната реакция. Оловният сулфат се превръща съответно в олово и оловен диоксид, възстановявайки електродите до началното им състояние.
Тъй като оловният диоксид и оловният сулфат са кристални порьозни вещества, те са поставени в метална решетка за по-добра механична устойчивост. Към електродния материал се добавят различни вещества – калций, кадмий или стронций за промяна на плътността, твърдостта или порьозността. Това позволява по-лесното производство на електродите.
Видове Автомобилните акумулатори намират различно приложение: Стартерният тип дава по-голям ток, обикновено за стартиране на двигател. Те обикновено имат повече електроди и оттук по-голяма площ, която позволява отдаването на по-голям максимален ток. Стартерният акумулатор съдържа повече антимон, калций, кадмий. Наличието на такива елементи подобряват експлоатационните им качества. Разработени са и безантимонови акумулаторни батерии.
Стартерните батерии за автомобили и камиони се различават по капацитет и по този начин също по тегло и размери. В допълнение, за камиони, напрежението обикновено е 24 V вместо 12 V, така че тук се използват две подобни, последователно свързани 12-волтови батерии или, в най-редките случаи, специални 24-волтови батерии с двойно по-голям брой клетки. Тяговите батерии са предназначени за постоянно подаване на ток за дълъг период от време например в електрокари или други транспортни средства, задвижвани от електрическа енергия. Те могат да се използват за временно съхраняване на енергията от вятърна турбина. Техните пластини са по-дебели за постигане на по-голям капацитет и позволяват повече цикли на разреждане/зареждане.
Двигател на прогреса са т.нар. „хибридни автомобили“, използващи електрически двигател и двигател с вътрешно горене. За подаване на енергия към електрическия двигател в автомобила се поставят тягови акумулатори или водородни клетки. В определени случаи оловно-киселинният акумулатор бива заменен от суперкондензатори.
Има и акумулатори с двойно предназначение (стартерни и тягови). По-нататък основно се разглежда стартерният акумулатор.
Предназначение, функции, изисквания Стартерният акумулатор изпълнява следните задачи в моторното превозно средство (МПС):
1. Подготвя процеса на стартиране на двигателя чрез подаване на напрежение към всички съответни компоненти (управляващи устройства, инжекционна система, запалителна бобина, система за подгряване). 2. Захранва задвижващия мотор (стартер) с енергия. 3. В случай на криза (внезапна повреда на двигателя) доставя енергия за аварийно осветление (светлина, аварийни светлини) и за по-нататъшни опити за стартиране. 4. Изглажда напрежението на алтернатора и елиминира (отчасти) пиковете на напрежението при нормално шофиране. 5. В режим на готовност доставя енергия на различни потребители (часовник, радио, контролен блок).
След като двигателят заработи, алтернаторът (динамото) поема захранването на цялата система и зарежда стартерната батерия. Някои потребители наричат стартерния акумулатор SLI батерия, от съкращението на основните му предназначения на английски език: стартиране (Starting), осветление (Lighting) и запалване (Ignition).
Стартирането на двигател с вътрешно горене от електрически стартер за кратко изисква високи токове от няколко стотици до 1000 ампера. Бензиновият двигател отнема около 2 до 15 секунди, за да стартира колата и около 5 до 100 секунди за дизеловия двигател (включително по-старите превозни средства). Батерията губи до около 0,2 Ah при бензиново (при стартиране от 2 секунди) и до около 0,3 – 0,4 Ah при дизелово гориво (7 секунди начално време с предварително загряване). За презареждане на получената загуба на капацитет на батерията се изисква 0,2 Ah, около 3 – 5 минути време за шофиране. Стартерната батерия трябва да може да доставя тази мощност дори през зимата при ниски температури. В допълнение, електрическото напрежение не трябва да пада твърде много по време на процеса на стартиране. Следователно стартерните батерии имат ниско вътрешно електрическо съпротивление.
Технологии С развитието на технологиите нови видове акумулатори намират приложение в автомобила. В автомобилите с автоматичен старт-стоп контрол, конвенционалните стартерни батерии бързо се претоварват, тъй като значително увеличените стартови събития водят до промяна в профила на изискванията за мощността и броя на циклите на зареждане и по този начин и стабилността на цикъла на акумулаторите. За тази цел са разработени батерии EFB (Enhanced Flooded Battery – Подобрена запълнена батерия), които имат по-висок стартов ток (повече олово) в конвенционален, мокър дизайн и са допълнително дълбоко циклични (нетъкани подложки). Акумулаторите AGM (Абсорбираща стъклена подложка), използвани през последните около 50 години в някои сектори, също бяха доразвити в стартерни батерии.
Акумулаторите EFB са предназначени за чиста старт-стоп система без рекуперация. За превозни средства с технология за рекуперация, които са значително по-скъпи, са разработени акумулатори AGM. Тук например се подава ток от акумулатора по време на процеса на спиране. Предимство на мощните AGM акумулатори е до 4 пъти по-голям брой цикли на зареждане в сравнение с конвенционалните батерии. Ниското вътрешно съпротивление, дължащо се на конструкцията, също спомага за бърза реакция между киселината и плочите, в резултат на което големи количества енергия могат бързо да бъдат прехвърлени. Акумулаторите AGM обаче имат високи цени и са много податливи на високи температури, поради което често не се монтират в горещото отделение на двигателя, а в интериора или в багажника.
Евтината оловно-киселинна батерия има сравнително високо тегло спрямо батерии от други видове технологии за акумулатори със същия капацитет за съхранение. В самолетите като стартерни батерии за стартиране на бутални двигатели или спомагателни турбини, все по-често се използват никел-кадмиеви акумулатори, никел-металхидридни акумулатори, сребърно-цинкови акумулатори и литиево-йонни акумулатори. Нов етап на развитието са литиево-полимерните акумулатори (LiPo).
Акумулатори, използващи други окислително-редукционни системи, като например литиева технология, особено поради причини, свързани с разходите, дотогава не са могли да се надделеят над оловно-киселинните батерии. Освен това значително по-скъпите акумулатори изискват сложни схеми за зареждане и защита в сравнение с оловните системи. Също така, потенциалът за спестяване на тегло не е достатъчно висок за подмяна в масовото производство. Само Порше предлага литиево-желязо-фосфатен акумулатор (LiFePO4) като стартерна батерия срещу допълнително заплащане. При модернизацията бизнес-скутерите и мотоциклетите използват акумулаторни батерии с литиеви системи.
Конструкция и разположение на полюсите Електродите и електролитът на акумулатора са поставени в затворена пластмасова кутия. Върху горната ѝ стена в краищата са изведени двата полюса. Положителният полюс на стартерните акумулаторни батерии е маркиран със знак „+“ (плюс) и / или червен цвят, а отрицателният полюс със знак „–“ минус и / или черен или син цвят. За да се избегне объркване, полюсите имат различни размери – диаметърът на отрицателния е по-малък. Те могат да бъдат разположени в една линия успоредно на широката или тясна стена или по диагонал (фиг. 5). При това вляво или дясно може да бъде както положителният, така и отрицателният полюс. Разположението на полюсите се описва когато акумулатора се гледа отпред. Може да се означава и съкратено: L+ (положителният е вляво), R+ (положителният е вдясно). В Германия производителите на акумулатори (Бош, Варта) използват цифрова схема за обозначаване на подреждането на полюсите. За 12-волтови стартерни батерии:
Означение Плюс Mинус 0 вдясно отпред вляво отпред 1 вляво отпред вдясно отпред 2 вдясно отпред вляво отзад 3 вляво отзад вляво отпред 4 вляво отпред вляво отзад Положението на полюсите „плюс“ и „минус“ на стартерната батерия зависи от модела. Това разположение е важно за съвместимостта на акумулатора с кабелите за свързване към електрическата система на автомобила и трябва да се взима под внимание при избор на акумулатор и при свързването му към МПС. Терминология и характеристики Напрежението на акумулатора е потенциалната разлика между полюсите му. На акумулатора е записано неговото номинално напрежение: 6V – До края на 40-те години на миналия век почти всички автомобили са имали шестволтово електрическо оборудване. Днес 6 V батерии се използват само в много леки моторни превозни средства. 12 V – В момента всички автомобили, повечето бензинови камиони и автобуси и повечето мотоциклети използват батерии с това напрежение. 24 V – използва се на тежкотоварни камиони и автобуси с дизелови двигатели, тролейбуси, трамваи, трактори (фиг. 6), както и на военна техника с дизелови двигатели.
Напрежението на напълно заредена оловно-киселинна клетка е 2,1 V. Номиналното напрежение на клетката се приема за 2 V. Всички използвани батерии, състоящи се от няколко последователно свързани клетки (секции, понякога разговорно „кутии“), имат номинални напрежения, кратни на 2 V.