Різні акумулятори - журнал запасних та ремонтних робіт
Панування свинцево-кислотних акумуляторів
Свинцево-кислотна батарея, винайдена французьким фізиком Гастоном Планте в 1839 р., Домінувала у функції електричного акумулятора більше півстоліття. Електроенергія хімічно зберігається між позитивною коричневою свинцевою пластиною та іншою негативною сірою свинцевою. Все це купається в рідкій суміші сірчаної кислоти та води, яка називається електролітом. Його роль полягає в тому, щоб рухати іони між двома пластинами, і напрямок їх переміщення залежить від ситуації заряду або розряду. Пластини генерують напругу 2 вольт. Елемент 2 В складається з декількох паралельно з'єднаних пластин, а 6 розділених елементів, з'єднаних послідовно, генерують 12 В між двома зовнішніми клемами.
Заряджений акумулятор, електроліт має щільність 1,28 кг/літр. Після розряду він виснажується на іони і його щільність зменшується приблизно до 1,10 кг/л. Якщо акумулятор оснащений отвором для заповнення, використання ареометра дозволяє легко оцінити стан заряду (це необхідно для захисту від ризику бризок кислоти), але це вказівка, проте, залишається неточною, оскільки вона не враховує температура і розшарування кислоти (кілька шарів різної щільності), а також знос і демінералізація пластин.
Два явища можуть заважати нормальній роботі акумулятора. Сульфат свинцю осідає на пластинах під час розряду і зникає при підзарядці. Якщо батарея залишається розрядженою протягом тривалого часу, кристали сульфату свинцю твердіють і не можуть розчинитися під час підзарядки. Ця сульфатація ізолює деякі пластини, і продуктивність акумулятора знижується. Тому краще зберігати заряджений акумулятор.
Друге явище - втрата води з електроліту через занадто інтенсивний заряд. Частина води перетворюється на газ (кисень і водень). Якщо батарея має отвір для дегазації (VRLA - свинцева кислота, регульована клапаном), гази будуть виходити, і необхідно час від часу доливати рівень. У так званих герметичних батареях, що не потребують технічного обслуговування - отже, без можливості їх доповнення - гази перетворюються назад у воду, за винятком випадків занадто високого тиску, який призвів би до відкриття запобіжного клапана.
Герметичні батареї, як правило, містять свинцево-кальцієві для зменшення випаровування води. Об'єм ємності також більший, щоб обмежити тиск під час випаровування та забезпечити, щоб електроліт постійно покривав пластини. Інші батареї мають позитивні пластини, що містять олово та срібло для зменшення їх корозії при високій температурі та/або формовані, тонкі пластини сітки, які покращують роботу при дуже низьких температурах.
Гелеві та AGM акумулятори
Технічні розробки призвели до появи двох інших типів свинцево-кислотних акумуляторів. Ті, кого називають гелем, використовують гелевий електроліт, що дозволяє розміщувати батарею з меншим обмеженням позицій, оскільки вони більше не бояться витоків. Крім того, вони приймають більшу кількість циклів заряду і глибші розряди. Внутрішні електричні витоки (саморозряд) також менші. Ці батареї використовуються, наприклад, коли вони розміщені в салоні.
Акумулятор AGM (Absorbent Glass Mat) складається з електроліту, змоченого мікропористим склопластиковим килимком. Його внутрішній опір надзвичайно низький, і він віддає дуже мало тепла, що забезпечує особливо швидку хімічну реакцію. Він забезпечує втричі стійкість до циклів навантаження, ніж звичайні. Акумулятор AGM все частіше використовується в автомобілі завдяки функції автоматичного вимикання/перезапуску двигуна Stop-Start (в даний час майже 70% автомобілів продається в Європі) та генератора, керованого ЕБУ двигуна, що накладає велику гнучкість в швидкості заряду і розряду. У цьому випадку батарея контролюється мікрокомп’ютером, розміщеним на шунті мінусової клеми, для вимірювання напруги, струму та температури.
Характеристики, які слід знати
Ємність акумулятора для накопичення кількості електроенергії визначається в Амперах-годинах (Аг). Теоретично, батарея на 80 Ач може подавати 8 А протягом 10 годин або 80 А за 1 годину. Насправді вимірювання - це розряд протягом 20 годин із струмом, що в 20 разів нижчим від бажаної ємності (80/20 = 4 А в нашому випадку), доки кожен елемент не опуститься до 1,75 В. Електроліт повинен знаходитися при 27 ° С.
Потужність, вказана в Ач, завжди супроводжується номінальною напругою (наприклад, 12 В 80 Аг). Інженери воліють використовувати кіловат-годину (кВт-год), більш повну стандартизовану одиницю енергії, оскільки вона враховує напругу (1 кВт-год = 1 В х 1 А х 1 год). Цей пристрій найчастіше використовується для характеристики батарей електромобільних автомобілів.
Потужність - це ще одна фундаментальна інформація, отримана шляхом множення напруги (V) на інтенсивність (A). Це дозволяє кількісно визначити струм, необхідний для постачання компонента. Наприклад, навіщо використовувати електродвигун потужністю 50 кВт, якщо акумулятор не піднімається вище 40 кВт і тому не буде забезпечувати достатню кількість струму? Свинцево-кислотна акумуляторна батарея потужністю 12 В 80 Аг може подавати потужність від 3 до 5 кВт залежно від своєї технології.
Нарешті, специфічна енергія - це сухожилля війни для майбутніх батарей. Він характеризує взаємозв'язок між його місткістю та вагою. Якщо свинцево-кислотна батарея сьогодні пропонує близько 30 Вт/кг, її в основному замінюють нові технології. Будьте обережні, деякі виробники повідомляють значення на рівні комірок, тому без урахування ваги коробки або системи охолодження, що, очевидно, не можна порівняти.
Нові технології
Нові технології акумуляторів були зумовлені електрифікацією теплового двигуна та електромобіля.
У 1995 році електричні Peugeot 106 і Citroën Saxo були оснащені нікель-кадмієвими (Ni-Cd) батареями Saft, що пропонують від 40 до 55 Вт/кг (технологія, винайдена в 1892 році). Вони допустили максимальну дальність 95 км при стабільній швидкості близько 50 км/год. Їх недоліком був «ефект пам'яті», який вимагав повного розряду з ризиком значного зменшення ємності. Згодом виробники припинили використовувати Ni-Cd акумулятори, зокрема через токсичність кадмію.
Сьогодні в більшості гібридних автомобілів, наприклад Toyota Prius, використовуються нікель-металгідридні (NiMH) акумулятори із питомою енергією від 60 до 80 Вт/кг. Їх продуктивність не є оптимальною, оскільки цикли заряду/розряду спричиняють електричні втрати, які перетворюються на тепло. Однак цей тип батареї чутливий до високих температур. Тоді необхідна система охолодження, як правило, контрольована вентиляція. Крім того, важко виявити кінець точки заряду Ni-Cd акумулятора.
Технічною революцією, яка відродила електричний автомобіль, є літій-іонний (літій-іонний) акумулятор. Він може похвалитися питомою енергією від 120 до 170 Вт/кг, або в 5 разів більше, ніж у свинцю. Для сучасного електричного автомобіля потрібно близько 200 кг літій-іонного акумулятора, коли для збереження тієї ж ємності потрібно 1 тонна за допомогою свинцево-кислотної технології. !
Різні літій-іонні
Кілька конструкцій використовуються в автомобільній промисловості, в першу чергу щодо сплавів на катоді. Акумулятор на основі марганцю та кобальту, який, зокрема, оснащує Теслу, є одним з найефективніших, але для його безпеки потрібен глибокий контроль. Марганцевий компроміс між характеристиками та вартістю підходить для багатьох електромобілів, таких як Renault Zoe або Nissan Leaf. Фосфатна батарея є однією з найбезпечніших, оскільки вона не виділяє кисень, але за рахунок меншої питомої енергії (120-140 Вт/кг).
Літій-іонний полімерний акумулятор (Li-Po) відрізняється більшою безпекою завдяки гелевому полімерному електроліту, отже, не рідкому. Питома енергія продовжує зростати, тепер вона може становити 150 Вт/кг, а корпус її менш громіздкий, оскільки батареї потребують меншого захисту.
Нарешті, літієво-металевий полімерний акумулятор (LMP) забезпечує 110 Вт/кг, і його розмір зменшується завдяки своїй тонкоплівковій структурі. Основним його недоліком є досить висока робоча температура його електроліту, між 80 і 90 ° C, для досягнення достатньої провідності. Ця особливість не є недоліком, якщо електричний автомобіль використовується дуже часто, наприклад, автомобіль доставки або автомобіль спільного користування, як Blue Car від Autolib. Полімер з металевим літієм в основному пропонує французька компанія Batscap з групи Bolloré.
А завтра ?
Літій-іонний акумулятор у деяких випадках замінить свинцево-кислотний акумулятор на автомобілях з тепловими двигунами, щоб зменшити вагу (наприклад, опція Porsche) або збільшити відновлення кінетичної енергії в автомобілях з генераторами, що рухаються від двигуна. Цей вибір буде частішим для майбутніх гібридів, що мають потужний стартер-генератор змінного струму (приблизно 8 кВт).
Можливо, все ще можна подвоїти масову ємність цих батарей, але виробники вже працюють над літій-іонними. Дві найбільш перспективні технології - це алюмінієво-повітряне та літієво-повітряне з масовою потужністю до 5000 Втч/кг !