Физика автомобильного аккумулятора

С приходом морозов резко возросло количество вопросов связанных с отказом аккумуляторной батареи (АКБ) заводить автомобиль. Чаще всего все аккумуляторные проблемы связаны с незнанием того как работает аккумулятор. Многие полагаются на магическую маркетинговую надпись “необслуживаемый” на батарее.

Мифы и байки об устройстве аккумулятора

В свое время я решил выяснить всю суть процессов происходящих внутри АКБ, чтобы точно знать, как правильно заряжать и обслуживать аккумулятор. Но к кому бы из корифеев автомобилистов или электриков я не приставал с расспросами, никто так и не смог мне толком ничего объяснить. Кто-то честно сознавался, что не знает, а кто-то начинал рассказывать мифы и байки, которые сводились к двум типам.

Первый миф-байка заключался в том, что АКБ надо заряжать строго определенным током и при установке на машину аккумулятора большей емкости, чем у штатного, он будет недозаряжаться. Моя практика опровергла этот факт: при определенных условиях недозаряженным оказывается любой аккумулятор даже 55АЧ, при генераторе в 120А. Опровержение этого мифа давал и журнал “За Рулем”: “Что помешает батарее зарядиться полностью? Уместно провести аналогию: если вы зачерпнули стакан воды из ведра или из огромной бочки, то для восстановления исходного уровня жидкости вам потребуется долить из-под крана все тот же стакан - как в ведро, так и в бочку.”

Именно эта неудачная аналогия привела к тому, что многие представляют себе аккумулятор как бочку с водой – второй миф. Сознаюсь честно: долгое время я сам так думал, пока не столкнулся на практике с проблемами недостаточного заряда батареи. Видимо такие же проблемы и породили первый миф. В чем же неправ журнал? С точки зрения приведенного примера, когда мы говорим о стакане в ведре или бочке – все абсолютно верно. Но когда мы вылили больше половины ведра (или бочки), в этом случае сравнение абсолютно неверное. Почему – вот об этом я и хочу рассказать.

Что происходить в аккумуляторе и почему он бывает недозаряжен

Не буду останавливаться на химических процессах, протекающих в аккумуляторе, кому интересно смогут легко найти описание в интернете. Ограничусь лишь упоминанием того, что основная химическая реакция происходит с выделением электронов (разрядка) или их поглощением (зарядка). Важным является физическая составляющая процесса протекания реакции.

Пластины аккумулятора представляют собой пористый материал, и реакция проходит как на поверхностном слое пластин, так и внутри пористого материала. Причем реакция, как разрядки, так и зарядки проходит в направлении от поверхности вглубь пористого материала. Основная проблема заключается в том, что для протекания процессов в глубине пористого материала требуется более высокое напряжение зарядки, чем на поверхности. Если посмотреть на график зарядки аккумуляторной батареи, то мы увидим, что в процессе напряжение постепенно увеличивается вплоть до 14.5 (для обычных АКБ) и 16.2В (для кальциевых АКБ). Но любой автомобильный генератор не выдает ни 14.5 ни тем более 16.2В! Нормой является 13.6-13.8В! Почему – об этом я расскажу позже, а пока давайте разберемся что же происходит внутри АКБ, когда зарядка происходит от гернератора.

Итак, мы садимся в автомобиль, с полностью заряженным аккумулятором и поворачиваем ключ стартера и на запуск автомобильного двигателя расходуется энергия АКБ. Как я уже писал выше, процесс заряда и разряда начинается с поверхности пластин и продолжается вглубь. При нормальном пуске расходуется очень небольшое количество энергии, и напряжения в 13.8В достаточно с избытком, чтобы восстановить (зарядить) пластины в поверхностном слое. Так происходит во время обычных наших поездок: стакан взяли - стакан вернули. И тут действительно абсолютно не важна емкость: бочка или ведро.

Но что же происходит в аккумуляторе, когда ситуация становится нештатной и вместо стакана мы зачерпнули значительно больше? Не важно, произошло ли это потому, что забыли выключить потребители на ночь, или же автомобиль долго стоял и разрядился из-за сигнализации, или же мы долго крутили стартером. Разрядка аккумулятора прошла гораздо глубже в толщу пористого слоя. После запуска двигателя (допустим нам хватило остатков энергии в АКБ или мы “прикурили”) генератор начал вырабатывать электроэнергию и начался процесс заряда. По мере зарядки реакция идет с поверхности вглубь пористого вещества пластин. В какой-то момент напряжение достигает максимальных 13.8В и процесс заряда прекращается. Мы наивно полагаем, что наша батарея полностью заряжена, но это не так. Заряженными оказываются только поверхностные слои пластин, а часть пористого вещества внутри оказывается не прореагировавшей! Мы можем смело заглушить двигатель, и он бодро и легко заведется снова – ведь разрядка начнется снова с поверхности пластин! Но по факту оказывается, что аккумулятор потерял значительную емкость, которая хранилась в глубине.

С таким недозарядом можно ездить долго, ведь потеря половины емкости аккумулятора почти незаметна. Что же происходит с приходом холодов? Химические реакции замедляются, ухудшается внутренняя проводимость аккумулятора, стартерные токи возрастают из-за увеличения вязкости масла. При таких условиях, чтобы получить большой стартерный ток, требуется большая площадь, по которой будет протекать химическая реакция, а она оказывается уменьшенной вдвое от нормы. Именно это является причиной того, что аккумулятор, который отлично работал летом, зимой отказывается заводить автомобиль.

Ситуация, когда утром не удалось завести автомобиль - это не самое страшное! Эту проблему легко решить “прикурив” или зарядив аккумулятор. Самое плачевное, что в процессе нахождения в незаряженном состоянии аккумулятор начинает деградировать – в нем начинают протекать процессы называемые “сульфацией”. Может показаться, что это не страшно, т.к. аккумулятор то наполовину заряжен, а значить сульфироваться не должен. Но это не так - нельзя быть “слегка беременным”. Если рассматривать процесс заряда аккумулятора, то часть емкости пластин заряжена (прореагировала), а часть нет. Именно на этих не прореагировавших пластинах и будут образовываться кристаллы сульфатов. Существует процедура восстановления сульфатированных АКБ, но она долгая и никогда не восстанавливает аккумулятор полностью, так что лучше до этого не доводить.

Почему нельзя это исправить

А почему бы не поднять напряжение автомобильного генератора до требуемых 14.5В , чтобы аккумулятор заряжался? Конечно, в этом случае батарея зарядится полностью, но прослужит не долго. Все дело заключается в том, что при 13.8В начинается другой, очень не хороший процесс - аккумулятор начинает “кипеть”! Название это условное, т.к. на самом деле ничего не кипит, но происходит выделение водорода и кислорода в виде пузырьков газа, которое отдаленно напоминает кипение. При процессе этом расходуется вода, содержащаяся в электролите. Продолжительная работа на повышенном напряжении приведет к тому, что аккумулятор очень быстро израсходует воду и перестанет работать вообще. По этой же причине следует очень аккуратно и вдумчиво пользоваться нестандартными регуляторами напряжения генератора, например так всеми любимыми “трехрежимниками".

Миф о необслуживаемых аккумуляторах

Ну и пару слов хочется сказать про “необслуживаемые” аккумуляторы. Таких в автомобилях - нет! Это словосочетание придумано продавцами в 90х годах, когда в аккумуляторы стали добавлять кальций, который уменьшал степень “выкипания” воды и необходимость контролировать уровень электролита с той же частотой, что и уровень масла, отпала. Но при использовании стационарного зарядного устройства эта процедура обязательна до сих пор. Расход воды есть даже в дорогих AGM батареях, в которых применяются технологии герметизации и рекуперации – и их тоже надо обслуживать. Большинство “необслуживаемых” аккумуляторов имеют нормальные пробки для долива воды. Если какой-то производитель сделал АКБ без пробок, то такой аккумулятор правильно называть ОДНОРАЗОВЫЙ: поставил и забыл, сдох, выкинул, купил следующий – идеальная схема фурсенковского общества потребителей. Но и такие АКБ можно доработать

Что же делать

Можете пойти по пути, предложенному выше: раз в два-три года заменять батарею на новую. Но если регулярно и правильно обслуживать АКБ, то можно увеличить срок жизни аккумулятора до 8-10 лет без значительного ухудшения характеристик. Для этого надо просто держать аккумулятор всегда заряженным. Если случилась сильная разрядка, то обязательно, и как можно скорее, зарядить аккумулятор стационарным зарядным устройством, а после этой процедуры проверить уровень электролита и долить дистиллированную воду при необходимости. Процедуру зарядки АКБ стоит проводить и профилактически, даже если сильных разрядов не было. Периодичность профилактики - два раза в год: перед зимой и после. А если пробеги маленькие, то имеет смысл делать это чаще.

Комментарии

Почти со всем согласен

У меня Форд фокус заряжает на 14.4 В (2,4В на банку, т.е как положено). Прадик на 14.2.  А вот на советских (отечественных) машинах да 13,8В. 
Вскрытие необслуживаемых аккумов показало что уровень элетролита там достаточный, но процес необратимой сульфатации при глубокой разрядке приводит к невосстановимой потере емкости!
Очень понравились твои картинки! теперь окончательно в голове мозайка сложилась!
С выводами согласен на 100%
Разрядил сильно - сразу на стационарную зарядку. с тренировочным циклом.
Единственное, ИМХО, уровнем электролита в необслуживаемых (одноразовых) батареях можно не париться.

У многих современных иномарок

У многих современных иномарок реле-регулятор встроен в мозги и зарядка там более продвинутая, чем в жигулях и УАЗах. Там и термокомпенсация и сравнение уровня генерации и потребления - это самая прикольная технология. Короче автопром на месте не стоит, но как показывает практика, одно неосторожное короткое замыкание и ты попал на дорогостоящие мозги!

PS: Сегодня залил по 150 мл в "необслуживаемый" АКБ в каждую банку.