Funkcije automobilskog akumulatora

Kako radi automobilski akumulator i kako se proizvodi?

Tipična funkcija akumulatora koji se nalazi u odjeljku motora dobro je poznata: Vozilo se ne može pokrenuti bez akumulatora. Osim motoru za pokretanje, električna energija također je potrebna svjećicama, žarnicama, svjetlima i elektroničkima aplikacijama.

Olovni akumulatori: Dijelovi i izrada

Mnogi vozači primijete koliko je akumulator težak tek kad kupe novi. Može težiti od 10,5 do 30 kg. To je zbog olovnih ploča u ćelijama akumulatora.

Dijelovi i izrada ćelije u akumulatoru

Pozitivna elektroda:

• Pozitivna ploča: U olovnom akumulatoru pozitivno nabijena ploča (aktivni materijal) sadržava olovni oksid (PbO₂) koji je uronjen u elektrolit.
• Pozitivna rešetka: Pozitivna rešetka sadržava leguru olova i služi kao nosač aktivnog materijala i za prijenos struje.

Negativna elektroda:

• Negativna ploča: Negativno nabijena ploča (aktivni materijal) sadržava čisto olovo (Pb), koje je također uronjeno u elektrolit.
• Negativna ploča: Poput pozitivne ploče, također sadržava leguru olova i ima istu svrhu.
  

Elektrode s različitim nabojima odvaja separator.

Elektrolit je mješavina sumporne kiseline (H₂SO₄) i destilirane vode. Elektrolit može biti u tekućem obliku (kao u konvencionalnim akumulatorima s tekućim elektrolitom ili u naprednijoj EFB tehnologiji), u obliku gela ili vezan za podlogu od staklene vune (kao u AGM tehnologiji za novije sustave start-stop).

Nekoliko pozitivnih elektroda čini komplet pozitivne ploče, a nekoliko negativnih elektroda čini komplet negativne ploče. Negativni i pozitivni komplet ploča zajedno čini blok ploča. Blok ploča je ćelija akumulatora.

Konvencionalni akumulator za pokretanje sastoji se od šest ćelija povezanih u seriju, svaka s nominalnim naponom od 2 V, što daje napon od točno 12,72 V kada je akumulator potpuno napunjen. Kapacitet i sposobnost hladnog pokretanja rezultat su broja ploča po ćeliji.

Općenito pravilo: što je više ploča u ćeliji, koje tvore i veću površinu, to je veća snaga hladnog pokretanja (CCA) akumulatora. Međutim, ako se u ćeliji nalazi manji broj ploča, ali su one deblje, povećava se stabilnost ciklusa. To znači da je akumulator izrađen za veći protok struje (stalno punjenje i pražnjenje).

Ćelije se nalaze u kućištu izrađenom od plastike otporne na kiseline (polipropilen). U konvencionalnim SLI akumulatorima, kućište je zatvoreno poklopcem sa sustavom labirinta koji sprječavaju istjecanje kiseline i odvajaju tekućinu od plina.

Stariji akumulatori imali su poklopce koji su omogućavali nadopunjavanje destilirane vode. Modernim akumulatorima uopće nije potrebno održavanje. Voda ne samo da se ne mora, nego se ne smije dodavati. Iako AGM akumulatori i dalje imaju “jednosmjerne poklopce”, oni se nipošto ne smiju otvarati.

Funkcije automobilskog akumulatora: Kemijska energija pretvara se u električnu energiju

Automobilski akumulator energiju skladišti u kemijskom obliku i pretvara ju u električnu energiju. Četiri elementa međusobno reagiraju tijekom tog elektro-kemijskog procesa:

• Vodik (H)
• Kisik (O₂)
• Olovo (Pb)
• Sumpor (S)

Povezivanje električnog potrošača pokreće kemijsku reakciju u akumulatoru:

• Elektrolit, mješavina sumporne kiseline (H₂SO₄) i destilirane vode razlaže se na pozitivno nabijene ione vodika (H⁺) i negativno nabijene ione sulfata (SO₄^2-).
• Istovremeno elektroni (2e^–) putuju od negativne do pozitivne elektrode preko vanjskog potrošača.
• Kako bi nadoknadili protok elektrona, ioni sulfata putuju iz elektrolita u negativnu elektrodu, gdje reagiraju s olovom (Pb) i proizvode olovni sulfat (PbSO₄).
• Olovni sulfat također se proizvodi u pozitivnoj elektrodi: Povezivanje kisika (O₂) u olovnom oksidu (PbO₂) prekida prijenos elektrona, a kisik prelazi u elektrolit. Preostalo se olovo (Pb) povezuje sa sulfatom (SO₄) u elektrolitu.
• Ondje se kisik povezuje s vodikom, a rezultat je voda (H₂O). Kako se sumporna kiselina troši stvaranjem olovnog sulfata, koncentracija se otopine elektrolita smanjuje. Kad koncentracija sumporne kiseline padne ispod određene razine, akumulator treba napuniti.
• Za vrijeme punjenja kemijski se procesi izvode obrnutim redoslijedom. Na kraju dobivamo elemente s početka: Pozitivna elektroda od olovnog sulfata (PbSO₄), negativna elektroda od čistog olova (Pb) i elektrolit od razrijeđene sumporne kiseline (H₂SO₄). Budući da je ovaj proces pretvorbe povezan s gubitcima, akumulator može izdržati samo ograničen broj ciklusa punjenja. Zbog toga ima ograničen vijek upotrebe. 

Problemi povezani s olovnim akumulatorima: Sumporizacija i raslojavanje kiseline

Ako se akumulator puni preniskim naponom ili ako uvijek radi s naponom koji je prenizak (ispod 80 %), dolazi do raslojavanja kiseline, odnosno stratifikacije. Kiselina se u elektrolitu raslojava zbog lošeg miješanja. Zbog razlike u gustoći sloj sumporne kiseline pada na dno, a voda se diže do vrha akumulatora. Kao rezultat tog procesa, samo srednji dio elektrolita, jedna trećina, sudjeluje u procesu punjenja i pražnjenja.

Uzrok raslojavanja kiseline većinom su vožnje na kratke udaljenosti uz istovremenu upotrebu velikog broja električnih potrošača. Alternator u tom slučaju nema dovoljno vremena da ponovno napuni akumulator.

Posljedica raslojavanje kiseline je sumporizacija. Ako se to dogodi u akumulatoru ili ako se akumulator redovito ne uspijeva napuniti do odgovarajuće razine, olovni se sulfat (PbSO₄) kristalizira na elektrodama i s vremenom se stvaraju veće kristalne tvorbe. Taj se proces naziva “sumporizacija”. Kristalizacija sprječava ponovnu pretvorbu olovnog sulfata u izvorne tvari olovo ili olovni oksid, čime se onemogućuje punjenje i smanjuje snaga hladnog pokretanja.

Oštri kristali također mogu oštetiti separatore ili uzrokovati kratki spoj u ćeliji.

Radi sprječavanja tog procesa i prijevremenog kvara akumulatora, akumulator nikad ne bi trebao stajati dulje vrijeme na niskoj razini napunjenosti. Zbog toga se savjetuje redovito provjeravati stanje akumulatora i napuniti ga ako je potrebno.

Želite li znati više o ovoj temi? Kako ispravno napuniti akumulator?

Nove tehnologije akumulatora: AGM i litij-ionska

Do sad su konvencionalni olovni akumulatori zauzimali velik udio tržišta. Međutim, tržište se brzo mijenja: Inovativne tehnologije akumulatora za vozila sa sustavima start-stop kao što je AGM upotrebljavaju kiselinu vezanu za podlogu što omogućuje bolju stabilnost ciklusa i jamči pouzdan i učinkovit rad u vozilima s većim zahtjevima za energijom. Dodatna prednost AGM tehnologije: Raslojavanje kiseline više nije moguće jer je kiselina vezana za podlogu.
Nova generacija automobilskih akumulatora za mikrohibridna vozila radi na 48 V i upotrebljava ćelije s litij-ionskom tehnologijom.