Delovanje avtomobilskega akumulatorja

Kako deluje avtomobilski akumulator in kakšna je njegova zgradba?

Tradicionalno delovanje akumulatorja v motornem prostoru je dobro poznano: Brez akumulatorja vozila ni mogoče zagnati. Poleg zaganjalnika električno energijo potrebujejo tudi vžigalne svečke, žarilne svečke, luči in elektronske aplikacije. Toda kakšna je zgradba akumulatorja in kako deluje?

Svinčeno-kislinski akumulatorji: komponente in struktura

Številni vozniki se začnejo zavedati velike mase avtomobilskega akumulatorja, ko kupijo novega. Mogoča je masa od 10,5 kg do 30 kg. Vzrok za to so svinčene plošče v akumulatorskih celicah.

Komponente in struktura akumulatorske celice

Pozitivna elektroda:

• Pozitivna plošča: V svinčeno-kislinskem akumulatorju je pozitivno nabita plošča (aktivni material) izdelana iz svinčevega oksida (PbO₂), ki je potopljen v elektrolit.
• Pozitivna mreža: Pozitivna mreža je iz svinčeve zlitine in se uporablja za držanje aktivnega materiala in kot tokovni kolektor.

Negativna elektroda:

• Negativna plošča: Negativno nabita plošča (aktivni material) je iz čistega svinca (Pb), ki je prav tako potopljen v elektrolit.
• Negativna plošča: Tako kot pozitivna plošča je tudi ta iz svinčeve zlitine in ima enak namen.
  

Elektrode z različnim nabojem so ločene z ločilno vrečko.

Elektrolit je zmes žveplove kisline (H₂SO₄) in destilirane vode. Ta elektrolit je lahko v tekoči obliki (kot pri običajnih odprtih akumulatorjih ali pri izboljšani tehnologiji EFB), v obliki gela ali vezan v steklenih vlaknih (kot pri tehnologiji AGM za novejše aplikacije Start-Stop).

Več pozitivnih elektrod tvori set pozitivnih plošč in več negativnih elektrod tvori set negativnih plošč. Seta negativnih in pozitivnih plošč skupaj tvorita blok plošč. Blok plošč je akumulatorska celica.

Običajni zagonski akumulator je sestavljen iz 6 celic, povezanih v serijo, vsaka z nazivno napetostjo 2 V, kar zagotavlja napetost natančno 12,72 V, ko je akumulator popolnoma napolnjen. Kapaciteta in tok pri hladnem zagonu sta pogojena s številom plošč na celico.

Osnovno pravilo: več plošč ko vsebuje celica, ki tako tvorijo večjo površino, večji je tok pri hladnem zagonu (CCA), ki ga lahko zagotovi akumulator. Če se prostor v celici porabi za manj plošč, ki so debelejše, se poveča ciklična stabilnost. To pomeni, da je akumulator zasnovan za večjo zmogljivost polnjenja (proces stalnega polnjenja in praznjenja).

Celice so nameščene v ohišju, ki je izdelano iz kislinsko odporne umetne mase (polipropilen). V običajnem akumulatorju SLI je ohišje zaprto s pokrovom z labirintnim sistemom, ki preprečuje izliv akumulatorske tekočine in loči tekočino od plina.

Prvi akumulatorji so bili opremljeni z navojnimi čepi, ki so omogočali dolivanje destilirane vode. Sodobni akumulatorji so popolnoma brez vzdrževanja. Vode ni treba in se je tudi ne sme dolivati. Akumulatorji AGM so še vedno opremljeni s »čepi za enkratno uporabo«, ki pa jih ni dovoljeno odpirati.

Delovanje avtomobilskega akumulatorja: kemična energija se pretvori v električno energijo

Avtomobilski akumulator shranjuje energijo v kemični obliki in jo pretvarja v električno energijo. V tem elektrokemičnem procesu štirje materiali reagirajo med seboj:

• Vodik (H)
• Kisik (O₂)
• Svinec (Pb)
• Žveplo (S)

Priklop zunanjega porabnika v akumulatorju sproži kemično reakcijo:

• Elektrolit, ki je zmes žveplove kisline (H₂SO₄) in destilirane vode, razpade v pozitivno nabite vodikove ione (H⁺) in negativno nabite sulfatne ione (SO₄^2–).
• Obenem elektroni (2e^–) potujejo od negativne do pozitivne elektrode prek zunanjega porabnika.
• Za kompenzacijo tega toka elektronov potujejo sulfatni ioni iz elektrolita v negativno elektrodo, kjer reagirajo s svincem (Pb) in nastaja svinčev sulfat (PbSO₄).
• Svinčev sulfat nastaja tudi v pozitivni elektrodi: Vezava kisika (O₂) v svinčevem sulfatu (PbO₂) se prekine s prenosom elektronov in kisik preide v elektrolit. Preostali svinec (Pb) se veže s sulfatom (SO₄) iz elektrolita.
• Tam se kisik veže z vodikom in nastaja voda (H₂O). Ker se žveplova kislina porabi zaradi tvorbe svinčevega sulfata, se koncentracija raztopine elektrolita zmanjša. Ko koncentracija žveplove kisline pade pod določeno raven, je treba akumulator ponovno napolniti.
• Med polnjenjem potekajo kemični procesi v obratnem zaporedju. Na koncu so znova vzpostavljeni prvotni elementi: Pozitivna elektroda je iz svinčevega sulfata (PbSO₄), negativna elektroda je iz čistega svinca(Pb), elektrolit pa je iz razredčene žveplove kisline (H₂SO₄). Ker je ta proces pretvorbe povezan z izgubami, lahko akumulator zdrži le omejeno število ciklov polnjenja. Njegova življenjska doba je zato omejena.

Problem pri svinčeno-kislinskih akumulatorjih sta sulfatizacija in razslojevanje kisline

Če se akumulator polni s prenizko napetostjo ali vedno deluje s prenizko napetostjo (pod 80 %), se pojavi razslojevanje kisline ali stratifikacija. Kislina v elektrolitu se zaradi slabega mešanja razsloji. Različne gostote povzročajo kopičenje žveplove kisline na dnu in vode v zgornjem območju akumulatorja. Zaradi tega se lahko za proces praznjenja in polnjenja uporablja le srednji sektor elektrolita, približno ena tretjina.

Možen vzrok za razslojevanje kisline so pretežno kratke vožnje s stalno uporabo velikega števila električnih porabnikov. V tem primeru alternator nima dovolj časa, da ponovno napolni akumulator.

Posledica razslojevanja kisline je sulfatizacija. Če se ta pojavi v akumulatorju oziroma če akumulator ni konstantno napolnjen do ustrezne ravni napolnjenosti, žveplov sulfat (PbSO₄) kristalizira na elektrodah in sčasoma ustvari večje kristalne strukture. Ta proces se imenuje »sulfatizacija«. Kristalizacija preprečuje ponovno pretvorbo svinčevega sulfata v prvotne komponente svinca oziroma svinčev oksid, kar posledično zmanjša sposobnost sprejemanja polnjenja in zmanjša tok pri hladnem zagonu.

Ostri kristali lahko tudi poškodujejo separatorje ali povzročijo kratke stike v celicah.

Da ne pride do tega učinka in prezgodnje odpovedi akumulatorja, akumulator nikoli ne sme biti dlje časa na nizki ravni napolnjenosti. Zato je priporočljivo akumulator redno testirati in ga po potrebi popolnoma napolniti.

Želite izvedeti več o tej temi? Kako pravilno napolniti akumulator.

Nove tehnologije akumulatorjev: AGM in LI-ion

Doslej so imeli običajni svinčeno-kislinski akumulatorji velik delež na trgu. Vendar se trg hitro spreminja: Inovativne tehnologije akumulatorjev za vozila s sistemom Start-Stop kotAGM uporabljajo kislino, ki je vezana v steklenih vlaknih, da omogočajo večjo ciklično stabilnost in zagotavljajo zanesljivo delovanje v vozilih s povečanimi energijskimi zahtevami. Dodatna prednost AGM: zaradi vezane kisline ne more priti do razslojevanja kisline.
Nova generacija avtomobilskih akumulatorjev za mikro hibridna vozila deluje pri 48 V in uporablja celice z litij-ionsko tehnologijo.