Аккумуляторы для автомобилей. АКБ.
©Борисов Михаил [mikbo]
Мифы, предрассудки и немного фундаментальных дисциплин
Инженерам "от сохи" и прапорам Советской Армии посвящается...

Основные понятия:
Батарея
Напряжение
ЭДС
Внутреннее сопротивление
Ток утечки
Процессы
Разряд аккумулятора
Зарядка Батареи
Практика
Напряжение на АКБ
Соединение АКБ
Практические выводы

Выражаю искреннюю благодарность Кувалде (Kuvalda.spb.ru Ушкалов Евгений Юрьевич)
за поддержку и побудительство меня: тряхнуть стариной, вспомнить,
что я все-таки физик и химик, и взяться за старое:

Прежде всего, считаю долгом отметить, что (не смотря на мои старания) нижеприведенные соображения основаны на фундаментальных науках, а потому требуют все же некоторых усилий для осмысления. Не желающим прилагать эти усилия, а также тем, кто путает напряжение и емкость, читать не рекомендуется - берегите себя!

Для ясности изложения, и не желая перегружать текст слишком сложными понятиями термодинамики и химической кинетики, далеко выходящими за рамки общих курсов физики и химии технических вузов, я позволю себе некоторые упрощения (во всех случаях корректные), которые (ни в коем случае) не будут противоречить истине - заранее приношу свои извинения перфекционистам. Точные выкладки все желающие могут исполнить самостоятельно - вся необходимая литература имеется в любой научно-технической библиотеке

Путаница
Мои дискуссии на страницах уазовской конфы, ясно продемонстрировали, что не все участники автомобилизации страны ясно представляют себе что же такое аккумуляторная батарея. Чтобы быть понятым верно, постараюсь определить понятия с которыми буду иметь дело.
Батарея (АКБ)
Набор ячеек (банок), соединеных последовательно в количестве шести. В тексте на правах синонимов используются слова "аккумулятор" и АКБ.
Ячейка, она же "банка" -- элементарный элемент аккумулятора, состоящий как минимум (реально более 10) из одной пары активных пластин Pb - PbO2, залитых электролитом.
Напряжение
То, что измеряется на клеммах АКБ путем подключения тестера или напряжеметром, который находится на приборной панели. Исключительно внешняя характеристика. Зависит от множества факторов, как внешних по отношению к АКБ, так и внутренних.
В общем то, напряжение это единственная нормально измеряемая величина, ассоциированная с АКБ. Ничего другого нормально померить не удается. Ни емкость. Ни реальный ток. Ни внутреннее сопротивление, ни ЭДС
ЭДС
Сугубо внутренняя характеристика ячейки АКБ, к сожалению самым драматическим образом влияющая на внешние проявления АКБ.
Величина ЭДС определяется равновесным состоянием реакции основных реагентов. В нашем случае это
Pb+PbO2+2H2SO4(-)+2H(+) = 2PbSO4+2H2O.
Определить ее формально достаточно сложно - для этого требуется применение сложных термодинамических расчетов термодинамического состояния системы, но в инженерной практике применяется инженерная формула, обеспечивающая инженерную точность для свинцовых аккумуляторов в диапазоне плотностей электолита 1.1-1.3 кг/л
E=0.85+P где Р - плотность электолита.
Применяя ее для определения ЭДС при стандартном значении плотности электролита автомобильного аккумулятора 1.27 получаем значение 2.12В на банку или 12.7В на АКБ.
Для перфекционистов. Искать здесь размерность бессмысленно - как в большинстве формул для упрощенных инженерных рассчетов.
В практическом смысле эта формула нам еще пригодится.
С точностью, нас тут интересующей, никакие другие факторы на величину ЭДС не влияют. Зависимость ЭДС от температуры оценивается тысячными вольта на градус, чем очевидно можно пренебречь.
Все легирующие добавки и прочее серебро действительно улучшают эксплуатационные характеристики (повышают стабильность, увеличивают срок службы, снижают внутреннее сопротивление) но не влияют на ЭДС.
К сожалению, в современном аккумуляторе померить ее можно только косвенно и с известными допущениями. Например, допуская, что токи утечки равны нулю (то есть АКБ чистый и сухой снаружи, не имеет трещин и протечек внутри между банками, что в электролите нет солей металлов, а сопротивление измерительного прибора бесконечно).
Для измерений с интересующей нас точностью, достаточно просто отсоединить АКБ от всех потребителей (снять клемму) и воспользоваться цифровым мультиметром (тут надо иметь в виду, что класс точности большинства этих приборов не позволяет определить истинное значение, делая их пригодными лишь для относительных измерений).
Внутреннее сопротивление
Величина играющая ключевую роль в нашем восприятии действительности АКБ.
Именно благодаря ему, точнее его увеличению, происходят все неприятности, связанные с АКБ.
Упрощенно это можно представить как подключенный последовательно с аккумулятором резистор, некоторого сопротивления:

Величина, которую невозможно не пощупать, ни померить. Зависит она от конструктивных особенностей АКБ, емкости, степени его разряженности, наличию сульфатации пластин, внутренних обрывов, концентрации электролита и его количества и, конечно же, температуры. К сожалению, внутреннее сопротивление зависит не только от "механических" параметров, но и от тока, при котором работает АКБ.
Чем АКБ больше, тем внутреннее сопротивление меньше. У новой АКБ 70-100 Ач величина внутреннего сопротивления около 3-7 мОм (при нормальных условиях).
При понижении температуры скорость обмена химических реакций падает, а внутреннее сопротивление, соответственно, возрастает.
У нового аккумулятора внутреннее сопротивление самое маленькое. В основном оно определяется конструкцией токонесущих элементов и их сопротивлением. Но в процессе эксплуатации начинают накапливаться необратимые изменения - уменьшается активная поверхность пластин, появляется сульфатация, изменяются свойства электролита. И сопротивление начинает возрастать.
Ток утечки
Присутствует в аккумуляторе любого типа. Бывает внутренним и внешним.
Внешний ток утечки определяется прежде всего качеством цепей, подключенных к батарее (отсутствием паразитных потребителей в этих цепях) и чистотой поверхности батареи.
Внутренний ток утечки невелик и для современной батареи 100Ач составляет около 1 мА (примерно эквивалентно потери 1% емкости в месяц) Его величина определяется чистотой электролита, особенно степенью загрязненности его солями металлов.
Надо заметить, что внешние токи утечки через бортовую сеть автомобиля, существенно выше внутренних исправного АКБ.
Процессы
Нежелающие "вдаваться" могут пропустить этот раздел и перебраться прямо к разделу Практика
Разряд аккумулятора
При разряде аккумулятора генерируется ток за счет осаждения SO4 на пластинах, в связи с чем снижается концентрация электролита и постепенно повышается внутреннее сопротивление.

Характеристики разряда АКБ.
Верхняя кривая соответствует току десятичасового разряда
Нижняя - трехчасового
При полном разряде практически вся активная масса превращается в сернокислый свинец. Именно поэтому долгое пребывание в состоянии разрядки губительно для аккумулятора. Чтобы избежать сульфатации необходимо как можно быстрее провести зарядку батареи.
При этом, чем больше в АКБ электролита (относительно массы свинца) тем меньше снижается ЭДС ячейки. Для разряженного на 50% аккумулятора падение ЭДС составляет около 1%. Кроме того, "запас" электролита у разных производителей разный, поэтому и снижение ЭДС, равно как и плотности электролита будет отличаться.
Из-за незначительного снижения ЭДС практически невозможно определить степень разряженности батареи, просто измеряя напряжение на ней (для этого существуют нагрузочные вилки, задающие значительный ток). Особенно применяя штатный напряжеметр (прибор это не является вольтметром в точном понимании этого слова - скорее индикатором напряжения) автомобиля.
Максимальный ток, который способна обеспечить батарея в основном зависит от активной поверхности пластин, а ее емкость от активной массы свинца. При этом более толстые пластины могут быть даже менее эффективны, поскольку "внутренние слои свинца при этом трудно сделать "активными". Кроме того, требуется дополнительный электролит.
Чем более пористой ухитрился сделать производитель пластину, тем больший ток она способна обеспечить.
Поэтому все батареи, построенные по сходной технологии обеспечивают примерно одинаковые стартовые токи, но более тяжелые могут обеспечить большую емкость при сопоставимых размерах.
Зарядка Батареи
Процесс зарядки батареи состоит в электрохимическом разложении PbSO4 на электродах под воздействием постоянного тока внешнего источника.
Процесс заряда полностью разряженной батареи похож на процесс разряда как бы "перевернутый" вверх ногами.
Первоначально ток заряда ограничен лишь способностью источника генерировать необходимый ток и сопротивлением токонесущих элементов. Теоретически он ограничен только кинематикой процесса растворения (скоростью с которой продукты реакции выводятся из активной зоны). Затем, по мере "растворения" молекул серной кислоты, ток снижается.
Если бы можно было пренебречь побочными процессами, при полной зарядке батареи ток стал бы равен нулю. Аккумулятор перестает "принимать" заряд. К сожалению в реальной батарее всегда есть ток утечки и вода. Для компенсации тока утечки применяется постоянный подзаряд батареи.
Стандартно свинцовую АКБ рекомендуют заряжать используя источник напряжения.
Рекомендуемое напряжении заряда на одну ячейку (по данным VARTA) составляет приблизительно 2.23В или 13.4В на всю батарею. Более высокое напряжение заряда приводит к более быстрому накоплению заряда, но одновременно увеличивает количество разлагаемой воды.

Легенда:
"Перезаряженный" аккумулятор портится и теряет емкость.
Действительно Ni-Cd аккумуляторы портятся (теряют емкость) при длительном перезаряде, чего не происходит со свинцовыми. Свинцовые при заряде большими напряжениями только теряют воду (выкипает именно вода) - в широких пределах процесс полностью обратим простым добавлением воды. При длительным подзаряде "правильным" напряжением (2.23В) потерь воды не происходит.
К счастью для нас, свинцовый аккумулятор не портится в режиме непрерывного подзаряда. Напротив, этот режим всячески поощряется и рекомендуется. Поэтому на автомобиле (и во всех прочих случаях промышленного использования) свинцовые АКБ находятся в режиме постоянной подзарядки при напряжениях в пределе 2.23 - 2.4В на ячейку.
Чем больше напряжение подзарядки, тем больше разлагается воды. Часть ионов кислорода и водорода остается в растворе, обеспечивая ему избыточную проводимость (повышая тем самым паразитный ток), часть выводится в виде газа. Аккумулятор "кипит".

Из рисунка видно, что при увеличении избыточного напряжения на аккумуляторе в два раза, ток подзаряда возрастает в десять раз, что приводит к неоправданному расходу воды и преждевременному выходу АКБ из строя.
Для современного аккумулятора ток оптимальный ток подзаряда около 15 мА (что как раз и соответствует напряжению подзаряда в 2.23В на ячейку). При таком токе вода, разлагающаяся при электролизе, "успевает" рекомбинировать в растворе и не теряется - то есть процесс может продолжаться бесконечно долго (в инженерном смысле).
Практика
Напряжение на АКБ
Многие путают напряжение на батарее с ЭДС аккумулятора. Как уже отмечалось, эти величины взаимосвязаны, но не тождественны. Тут колоссальную роль играет внутреннее сопротивление.
Например при разряде стартерными токами, обозначенными порядка 400 А, внутреннее сопротивление в 4 мОм в соответствии с законом Ома превращается в падение напряжения в 1.6 В, сопротивление поляризации добавляет еще около 0.5В - и это в самом начале разряда. Приведенные данные соответствуют новым АКБ емкостью порядка 100 Ач. Для старых, устаревших батарей или батарей меньшей емкости потери будут больше. Для батареи в 50 Ач того же типа потер приблизительно вдвое больше.
При заряде от генератора (который прикидывается источником напряжения, на самом деле являясь источником тока, придушенным регулятором), напряжение должно соответствовать условиям быстрого подзаряда и определяется реле регулятором.
Поскольку средний пробег автомобиля недостаточен для полной зарядки аккумулятора, применяется компромиссное значение напряжения, несколько превышающее оптимальное значение подзаряда в 2.23В на банку или 13.38 на батарею, но несколько меньшее, чем напряжение быстрой подзарядки в 2.4В (14.4В на батарею). Оптимальным считается значение 13.8-14.2В. При этом потери воды остаются приемлемыми, а аккумулятор получает достаточно полный заряд при среднестатистическом пробеге.
Старение (разряд) АКБ приводит к тому, что напряжение, которое он способен обеспечить под нагрузкой падает за счет больших потерь на внутреннем сопротивлении, при том, что без нагрузки его значение остается практически тождественным новому (полностью заряженному). Поэтому определить состояние АКБ просто вольтметром практически не представляется возможным.
Разные типы батарей могут иметь разные плотности электролита. При этом ЭДС (и соответственно напряжение разомкнутого аккумулятора) может несколько отличаться для разных батарей. При этом разряженная батарея с большей плотностью электролита может выдавать большее значение напряжения, чем полностью заряженная батарея с меньшей плотностью электролита.
Легенда:
Напряжение на АКБ зависит от температуры.
Напряжение отсоединенного аккумулятора практически не зависит от температуры. Зависит внутреннее сопротивление и количество запасенной энергии. Стартер плохо крутит по причине большого падения напряжения на внутреннем сопротивлении, а ограничение времени работы стартера связано с пониженной емкостью аккумулятора из за сниженной активности химических реакций.
Соединение АКБ
Именно эта тема и вынудила меня взяться за этот масштабный труд. Выводы, представленные тут, основаны на аргументации, приведенной выше. Практические выводы аргументации не требуют.
Легенда 1
Автомобильные аккумуляторы соединять параллельно нельзя, поскольку при этом аккумулятор, обладающий большим напряжением будет постоянно дозаряжать аккумулятор с меньшим напряжением. Соответственно один будет постоянно перезаряжен, а другой разряжен.
В этой легенде присутствует несколько фактических и понятийных ошибок.
Ячейка АКБ образуется несколькими парами (или несколькими десятками пар) пластин, срединными параллельно для повышения эффективной поверхности элемента. Так что параллелизм заложен в основе технологии аккумулятора.
Напряжение на аккумуляторе при отсутствии нагрузке условно равно его ЭДС.
Как известно, величина ЭДС практически не зависит ни от каких внешних и внутренних параметров, кроме плотности электролита. Эта величина не зависит ни от емкости АКБ, ни от пористости электрода, ни от легирующих добавок, ни от материала токоведущих частей. Также слабо она зависит от степени разряженности батареи. Поэтому напряжение двух свинцовых автомобильных аккумуляторов, соответствующих нормам будет всегда близким. Технологическая разница, возникающая за счет неточности плотности электролита (1.27-1.29 по ГОСТ, допуски VARTA на порядок меньше) может быть легко определена (см. выше) и составляет 0.02В, то есть 20 мВ.
Если считать, что в момент прекращения заряда (выключения двигателя) оба аккумулятора полностью заряжены, максимально возможная разность потенциалов на их клеммах составит 20 мВ, независимо от их состояния, производителя и проч.
Даже если предположить, что используются АКБ разных классов (например автомобильная и промышленна с плотностью электролита 1.25), то и в этом случае разность потенциалов составить лишь около 40 мВ. Для полностью заряженной батареи это приведет к возникновению тока электролиза порядка 3-5 мА, что примерно соответствует току утечки не очень хорошего аккумулятора.
Разряд такими токами для батареи несущественен, а перезаряд не наступает.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда параллельно объединены два аккумулятора существенно разной емкости.

В начале зарядки, когда ток ограничен возможностями генератора, естественно предположить, что он поделится между батареями пропорционально активной площади пластин. То есть степень заряженности аккумуляторов при неполном заряде будет примерно одинаковой (коротком пробеге).. Система будет себя вести как большой аккумулятор, который не успел дозарядиться.

Легенда 2
В импортных автомобилях используют специальные реле для подключения батарей дополнительного оборудования (Auxiliary), чтобы не соединять их параллельно (Легенда 1)

Полная чушь, имея ввиду вышесказанное. Это реле служит для куда более прозаичной цели. При большой нагруженности электросистемы автомобиля дополнительным оборудованием (типа телевизор, музыка большой мощности, холодильник и проч), существует большая вероятность "посадить" аккумулятор. Для того, чтобы после того, как весело провел день на природе под музыку, все таки уехать, стартерную батарею отключают, избегая тем самым ее глубокого разряда.
Есть старый анекдот про наших ментов, которые всласть "настрелявшись" радаром суетились "прикурить":
Так вот этот эффект куда значительнее, чем "перезарядки".
Практические выводы
Параллельно соединять аккумуляторы возможно, но учитывая следующие рекомендации.
Не стоит использовать АКБ разных классов (например автомобильные и промышленные), а так же различных исполнений (например тропического и арктического) поскольку они используют электролит разной плотности.
При длительной стоянке стоит отключать АКБ не только от потребителей, но и друг от друга.

Аккумуляторные батареи автомобилей УАЗ