Дополнительный аккумулятор в автомобиле

Подготовку к установке дополнительной аккумуляторной батареи в автомобиле можно разбить на несколько этапов. Во-первых, необходимо выяснить какой аккумулятор лучше всего подходят для ее создания. Затем нужно познакомится с правилами зарядки выбранного аккумулятора и убедиться в том, что автомобильный генератор годится для его зарядки. После этого останется выбрать емкость аккумуляторной батареи, а также оборудование для ее установки, подключения и зарядки.

Стартовые и тяговые аккумуляторы

Дополнительный аккумулятор не является частью типовой электрической системы автомобиля. Его устанавливают позднее, когда готовят машину к длительным путешествиям или переоборудуют ее для выполнения специальных задач. В обоих случаях в автомобиль устанавливают разнообразное вспомогательное оборудование постоянного и переменного напряжения для питания, которого и нужен дополнительный аккумулятор

Основной аккумулятор, в отличии от дополнительного, – это стандартный компонент автомобильной электросистемы. Он выравнивает колебания напряжения генератора, служит источником электрической энергии на стоянке и запускает двигатель. При запуске стартер легкового автомобиля потребляет до 500 Ампер в начальный момент и 100-150 А тогда, когда вращает коленчатый вал. Чтобы обеспечивать такой ток, аккумулятор должен иметь специальную конструкцию.

Ток, отдаваемый аккумулятором, зависит от скорости протекания в нем химических реакций, которая в свою очередь зависит от площади соприкосновения свинца с электролитом, температуры электролита и его состояния. Два последних параметра к конструкции аккумулятора не относятся, но площадь контакта при заданных габаритах корпуса не трудно увеличить. Ее наибольшего значения можно добиться, разместив в корпусе много тонких пластин с губчатым активным материалом, поры которого предоставят дополнительную поверхность для соприкосновения с раствором серной кислоты.

Аккумулятор, имеющий такую конструкцию, будет в течении 10-15 секунд хорошо генерировать ток в 5-7 раз, превосходящий его емкость. Однако плохо справится с питанием устройств, потребляющих 3-5 Ампер на протяжении целого дня. Достаточно несколько раз полностью разрядить и зарядить его, как тонкие пластины разрушатся, и аккумулятор выйдет из строя. Регулярный глубокий разряд и следующий за ним полный заряд выдержит только специально разработанная для таких нагрузок аккумуляторная батарея с толстыми пластинами, прочными решетками и плотным активным материалом

Резервный аккумулятор для автомобиля

В качестве резервной или сервисной аккумуляторной батареи чаще всего используются один из двух типов аккумуляторов – свинцово-кислотный или литиевый. У первых пластины изготавливают из свинца, а электролитом служит раствор серной кислоты. У вторых один электрод изготовлен из графита, а другой из оксида или соли лития, электролитом служит органический раствор литиевой соли. Носителями заряда являются ионы Li +.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В свинцово-кислотном аккумуляторе электролит может быть жидким или пастообразным. От его состояния зависит конструкция и эксплуатационные характеристики аккумуляторной батареи

Аккумуляторы с жидким электролитом не герметичны. Устанавливать их можно только строго в вертикальном положении, надежно закрепив к основанию. Во время зарядки жидко-кислотные аккумуляторы выделяют взрывоопасные газы и пары, которые могут стать причиной коррозии расположенного рядом оборудования. Из-за этого их не рекомендуется ставить в жилых отсеках и местах с плохой вентиляцией. Чтобы поддерживать требуемый уровень электролита в жидко-кислотный аккумулятор периодически необходимо доливать дистиллированную воду

При правильном обслуживание качественный жидко-кислотный аккумулятор глубокого разряда служит 5-7 лет. Поэтому стоимость вырабатываемой им за этот срок энергии оказывается гораздо ниже, чем у герметичных батарей. Однако за дешевые ампер-часы придется заплатить большим вниманием. Аккумулятор с жидким электролитом может самопроизвольно разряжаться на 15% в месяц. Если он оставлен без подзарядки, потеря емкости неизбежна. Жидко-кислотные аккумуляторы хуже держат напряжение под высокой нагрузкой, поэтому для питания мощного инвертора придется увеличить емкость батареи. Из-за высоких потерь, зарядный ток не должен превышать 10-13% от емкости аккумулятора. Это значит, что автомобильному генератору придется очень долго работать, чтобы полностью зарядить дополнительный аккумулятор

Инверторы потребляют большой ток. Аккумулятор должен быть рассчитан на такую нагрузку

Гелевый аккумулятор – это необслуживаемый герметичный блок с несколькими клапанами. При производстве аккумуляторов в электролит добавляют частицы кремния. Кремний связывает воду, электролит корпусе аккумулятора густеет и превращается в пасту. Поскольку свободная жидкость в корпусе аккумулятора отсутствует, нет и опасности разлить электролит. При правильной зарядке образовавшиеся внутри корпуса газы рекомбинируют и из аккумулятора не выходят, поэтому аккумулятор разрешается устанавливать в жилых помещениях и отсеках

Гелевые аккумуляторы отлично переносят глубокий разряд, но хуже, чем AGM выдерживают высокий разрядный ток. Заряжать их также приходится медленнее. Ток зарядки гелевого аккумулятора не должен превышать 20% от емкости, а напряжение 14,1-14,4 Вольт.

AGM – это еще одна разновидность герметичного свинцово-кислотного аккумулятора. Но в отличии от гелевого электролит в AGM не желеобразный, а жидкий. Правда эта жидкость не свободна. Ее удерживает напоминающий губку сепаратор из стекловолокна. Жидкий электролит подвижнее, чем пастообразный, легче перемещается к пластинам и в нем не образуются пустоты. Внутренне сопротивление AGM аккумулятора ниже, чем у гелевого, поэтому его можно быстро заряжать и использовать для питания мощной нагрузки.

Литиевые аккумуляторы

Плотность энергии у литий-железо фосфатных (LFP) ячеек ниже, чем у других представителей литиевого семейства. Но зато собранные из них аккумуляторы надежны, не самовоспламеняются и выдерживают тысячи циклов заряда-разряда.

При равной номинальной емкости LFP аккумулятор самый дорогой из рассматриваемых. Однако он в три раза легче любого свинцово-кислотного и занимает в два раза меньше него места. Несмотря на компактные размеры литиевая батарея выдерживают разрядный ток равный емкости, сохраняет стабильное напряжение почти до полного разряда и поэтому отлично подходят для питания инверторов

Стандартный зарядный ток LFP аккумулятора 0,5С (С – емкость), а максимальный 1С и выше. В дороге мощный автомобильный генератор способен заряжать дополнительную литиевую батарею очень быстро. Но если по возвращении из поездки аккумулятор остался заряженным неполностью, то беспокоится о его немедленной дозарядке не стоит. Литиевые аккумуляторы не теряют емкость из-за сульфатации

Зарядка дополнительного аккумулятора

Традиционные руководства советуют заряжать аккумулятор током 1/10 емкости в течении примерно 10 часов. Такой способ зарядки хорошо восстанавливает аккумулятор, но имеет несколько существенных недостатков — зарядное устройство должно работать как источник тока, в процессе зарядки нужно четко контролировать состояние аккумулятора, чтобы не перезарядить его, продолжительность зарядки слишком большая. В реальных условиях заряжать таким способом дополнительный аккумулятор автомобиля можно только при его ежегодном обслуживании.

Зарядку при постоянном напряжении осуществить легче. Источник зарядки поддерживает постоянное напряжение, а ток, потребляемый аккумулятором, зависит от его заряженности, температуры и напряжения источника.  В начальный момент сила тока может превышать 150% от емкости, но по мере заряда аккумулятора она быстро спадает.

Автомобильный генератор – это источник зарядки с постоянным напряжением, регулятор которого настроен на 14±0,2 Вольт. Относительно низкое напряжение регулятора не дает долго работающему генератору перезарядить аккумулятор, который израсходовал на запуск двигателя всего 3-5% емкости. Продолжительная зарядка такому аккумулятору не нужна

Но настройки генератора, подходящие для основного аккумулятора, не годятся для дополнительного, который разряжается не на 3-5%, а на 50% и более.  Поэтому наилучшим для него является комбинация описанных методов зарядки – постоянного тока и постоянного напряжения. Постоянный ток позволяет быстро вернуть аккумулятору большую часть потраченного заряда, а постоянное напряжение источника зарядки устанавливает предел выше которого напряжение аккумулятора не может вырасти. Напряжение, при котором происходит переход с одного этапа зарядки на другой, называется напряжением абсорбции.

DC-DC зарядное устройство необходимо для зарядки от генератора автомобиля

Чем сильнее ток на первом этапе зарядки, тем быстрее растет напряжение аккумулятора и тем раньше оно достигает значения абсорбции. Однако высокий ток вызывает быстрый рост напряжения лишь на поверхности аккумуляторных пластин, в то время как в их внутренних областях химические реакции пройти не успевают. В результате при напряжении абсорбции заряженность аккумулятора не поднимается выше 75-80%. (заряженность литиевого аккумулятора может достигать 90%)

Для того чтобы полностью зарядить аккумулятор, процесс необходимо продолжать. Но делать это с той же скоростью уже нельзя. Если напряжение продолжит расти, то увеличится температура аккумулятора и начнет бурно выделяться газ. Чтобы этого не произошло, нужно зафиксировать напряжение, и тогда аккумулятор станет потреблять только тот ток, который он может абсорбировать в данный момент. Постепенно ток начнет плавно снижаться и, как только он опустится до 1-5% от первоначального, аккумулятор будет полностью заряжен

Напряжение абсорбции зависит от типа заряжаемого аккумулятора. Зарядка гелевого должна заканчиваться при 14,1-14,4 В, AGM при 14,4-14,7 Вольт, а литиевого при 14,2 – 14,4 Вольт. Самый короткий этап абсорбции у литиевых аккумуляторов, самый продолжительный у гелевых.

Заряженный на 100% аккумулятор продолжает потреблять небольшой ток. Часть его идет на компенсацию саморазряда, а часть на разложение электролита, поскольку химические реакции на аккумуляторных пластинах к этому моменту уже завершены. Чем выше прикладываемое источником зарядки напряжение, тем интенсивнее разлагается электролит и тем большую емкость со временем потеряет аккумулятор.

Понизив выходное напряжение источника зарядки можно не допустить этого. Безопасный для аккумулятора уровень напряжения называется поддерживающим, его назначение компенсировать естественный саморазряд и поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии. Для свинцово-кислотных батарей уровень поддержки находится в интервале 13,2-13,8 Вольт. Использовать поддерживающую зарядку для литий-железо-фосфатных аккумуляторов не обязательно.

Этап поддерживающей зарядки есть у большинства современных зарядных устройств, но такого режима нет у автомобильного генератора.

Почему аккумулятор теряет емкость

Фактическая емкость нового аккумулятора равна или немного больше номинальной. Но в процессе эксплуатации емкость, которую аккумулятор может использовать для питания нагрузки уменьшается. Одна из главных причин этого – неправильная зарядка. Перезарядка вредна как для свинцово-кислотных (гелевые, AGM, жидкий электролит), так и для литиевых аккумуляторов. Неполной зарядки литиевые аккумуляторы не боятся, а вот для свинцовых она также опасна

Недозарядка

На пластинах не полностью заряженного свинцово-кислотного аккумулятора остаются мягкие кристаллы сульфата свинца (PbSO4), образовавшиеся во время разряда. Со временем кристаллы затвердевают настолько, что в процессе обычной зарядки не удаляются

Дополнительный аккумулятор необходимо своевременно и правильно заряжать

Сульфат свинца не проводит ток и поэтому увеличивает внутреннее сопротивление аккумулятора. Чем больше сопротивление, тем сильнее падает напряжение. В результате при зарядке аккумулятор перегревается и недозаряжается, а при разряде напряжение на его клеммах уменьшается настолько, что подключенные к нему мощные устройства перестают работать. Опыт свидетельствует – из-за недозарядки новый свинцово-кислотный аккумулятор приходится менять через 1-2 года

Перезаряд

Когда напряжение гелевого аккумулятора вырастает выше рекомендуемой отметки, вода, содержащаяся в желеобразном электролите, разлагается на водород и кислород. Газы накапливаются и давление в корпусе аккумулятора увеличивается. После того как оно достигнет критического значения, клапана открываются и образовавшиеся газы выходят наружу. Электролит теряет часть воды и его уровень понижается. Поскольку добавить воду в гелевый аккумулятор нельзя, вместе с уровнем электролита снижается емкость и сокращается срок службы аккумулятора.

Напряжение холостого хода полностью заряженного LFP аккумулятора 13,45-13,5 Вольт. Когда зарядный ток мал относительно емкости аккумулятора, то при напряжении 14,2 Вольт аккумулятор будет не только полностью заряжен, но и сильно перезаряжен. Ситуация усугубится еще больше, если устройство зарядки поддерживает 14,2 Вольта в течении длительного времени. При регулярном использовании такого способа зарядки, литиевые ячейки раздуются от образовавшихся в них газов и потеряют емкость

Постоянное напряжение источника зарядки всегда содержит переменные составляющие. Если амплитуда переменного напряжения велика, то во время пиков аккумулятор будет перезаряжаться, а во время впадин слегка разряжаться. Колебания напряжения вызовут переменный ток, который будет нагревать аккумулятор. Со временем эти процессы приведут к тому, что доступная емкость аккумулятора сократится

Высокий зарядный ток

Очень высокий зарядный ток нагревает активный материал пластин свинцово-кислотного аккумулятора. Из-за роста температуры сцепление с решетками ухудшается, активный материал осыпается и аккумулятор теряет емкость. Если количество скопившегося в нижней части пластин активного материала увеличивается, то между пластинами может возникнуть короткое замыкание.

Литиевые аккумуляторы во время зарядки всегда должны оставаться холодными. Если при нормальной температуре окружающей среды батарея нагревается больше, чем на 10 градусов зарядку необходимо останавливать. Рост температуры ячеек сигнализирует о том, что с аккумулятором что-то идет не так. В нагретом сильным током элементе электролит может испарится и под давлением вырываться наружу. Причиной подобного рода происшествий как правило является сбой регулировок устройства зарядки, а также отсутствие защиты от перезаряда и неконтролируемая температура аккумулятора.