Nowoczesne samochody potrzebują ponad trzykrotnie więcej energii elektrycznej, niż pół wieku temu. Na rynku dostępne są różne rodzaje akumulatorów, które są najlepiej dopasowane do wymagań użytkowników. Intensywnie eksploatowane auta, np. taksówki oraz motocykle wymagają akumulatorów o większej odporności cyklicznej, czyli bezobsługowych. Dla większości użytkowników ważniejszą cechą jest bezobsługowość i mogą pogodzić się z nieco mniejszą odpornością cykliczną.

Akumulator czy bateria?
Oba określenia są używane zamiennie, ale w naszej terminologii oznaczają różne urządzenia. Akumulator oraz bateria składają się jednego lub więcej ogniw. Ogniwo to urządzenie, w którym zachodzące reakcje chemiczne, są źródłem elektronów. Ich przepływ to prąd eklektyczny.

Ogniwo, w którym reakcje chemiczne powodujące uwolnienie elektronów są nieodwracalne, czyli za pomocą zewnętrznego źródła prądu nie można odwrócić kierunku przebiegu reakcji chemicznych, czyli naładować, nazywamy baterią. Jeśli zewnętrzne źródło prądu, umożliwia ponowne ładowanie ogniwa, to nazywamy go akumulatorem. Akumulatory stosowane w pojazdach, to kilka ogniw połączonych szeregowo lub równolegle.

Energia elektryczna w samochodzie
W samochodzie, dla wytworzenia energii elektrycznej, konieczna jest praca silnika. Im większe jest zapotrzebowanie na energię elektryczną, tym większe jest zużycie paliwa. W roku 1960 samochód potrzebował przeciętnie 300W mocy elektrycznej. Współczesny potrzebuje jej ponad 1000W (bez uwzględnienia rozrusznika) również dla zasilania między innymi ogrzewanych foteli, lusterek, kierownicy czy odtwarzacza DVD, kiedyś nieobecnych w samochodzie.

Energia elektryczna potrzebna jest również gdy samochód stoi, dla podtrzymania pamięci sterowników, radia oraz zasilania systemu alarmowego. Proszę zmierzyć natężenie prądu płynącego z akumulatora, gdy samochód stoi z włączonym alarmem – piszę o tym w dodatku.
Jazda w ruchu miejskim, z dużą ilością zatrzymań (praca silnika na biegu jałowym), częste rozruchy (duży pobór energii), nadużywanie odbiorników elektrycznych (np. włączone ogrzewanie tylnej szyby, podczas gdy samochód stoi w korku) oraz tendencja do jazdy przy coraz niższej prędkości obrotowej silnika (oszczędność paliwa) powoduje, że często akumulator jest niedoładowany (głębokie rozładowywanie akumulatora, skraca jego żywotność).

Ilość energii, którą możemy pobrać z akumulatora, zależy od jego temperatury. Według firmy Varta, obniżenie temperatury akumulatora od +25OC do -20OC obniża o połowę ilość energii, którą można z niego pobrać (fot.1). Jednocześnie taka sama zmiana temperatury silnika powoduje, dwukrotny wzrost natężenia prądu pobieranego przez rozrusznik w chwili rozruchu silnika.

Nie dziwią więc dane niemieckiej ADAC. Według nich, w 2006 roku, 35% uszkodzeń dotyczyło instalacji elektrycznej samochodu. Następstwem 60% z nich, było uszkodzenie akumulatora. Sprawność akumulatora i czas jego bezawaryjnej pracy zależą bowiem od sprawności alternatora i rozrusznika. Okres zimowy surowo weryfikuje sprawność tych urządzeń.

Akumulator w serwisie
Ze względu na możliwy zakres obsługi akumulatora i sposób oceny w serwisie jego stanu technicznego, akumulatory dzielimy na następujące typy:
1. akumulatory otwarte, których cele mają połączenie z powietrzem otoczenia, (woda może odparowywać z akumulatora, a tlen i wodór, powstające podczas pracy akumulatora, ulatywać), są zakręcone korkami, po wykręceniu których można dolewać wodę destylowaną lub mierzyć gęstości elektrolitu (fot.2a);

2. akumulatory, do których nie można dolać wody destylowanej i mierzyć gęstości elektrolitu, zwane bezobsługowymi – dzielą się na dwa rodzaje:
  • otwarte, których cele mają połączenie z powietrzem otoczenia (fot.2b);
  • zamknięte, we wnętrzu których panuje nadciśnienie, regulowane zaworem bezpieczeństwa (fot.2c), który pozwala ujść gazom (tlen, wodór), jeśli ciśnienie we wnętrzu akumulatora jest za duże; akumulatory tego typu są oznaczane skrótem VLRA (Valve Regulated Lead-Acid Battery – akumulator kwasowo-ołowiowy, z zaworem regulującym ciśnienie).

Akumulatory otwarte, z korkami zamykającymi celę (rys.2a), dzielimy na dwa rodzaje.
1. Konwencjonalne – kratki, czyli nośniki masy czynnej elektrod, są wykonane ze stopu ołowiu (Pb) z dodatkiem 4 do 5% antymonu (Sb). Te akumulatory wymagają wprawdzie częstszego dolewania wody do cel, ulegają większemu samorozładowaniu, ale mają większą odporność cykliczną (wytrzymują więcej cykli ładowania i rozładowania) w porównaniu do akumulatorów tzw. bezobsługowych.
2. O wydłużonych okresach obsługowych – zawartość antymonu (Sb) w stopie z ołowiem (Pb) jest niższa od 3,5%, co pozwala rzadziej kontrolować i uzupełniać wodę w celach. Nie są to akumulatory bezobsługowe, ale mają większą od nich odporność cykliczną, dlatego są nadal stosowane np. taksówkach i motocyklach. Nie są przeważnie używane w samochodach osobowych, gdyż od akumulatorów dla nich wymagana jest obecnie bezobsługowość.

Akumulator bezobsługowy
Reakcjom chemicznym w akumulatorze towarzyszy rozkład wody w elektrolicie (40% roztwór kwasu siarkowego w wodzie) na wodór i tlen. Ponadto woda z akumulatora otwartego paruje. Aby akumulator był bezobsługowy, ubytek wody z elektrolitu w wyniku obu procesów, musi być możliwie niski.

Niezależnie od typu akumulatora, aby zmniejszyć ilości wody ulegającej rozpadowi, stop ołowiu (Pb) z antymonem (Sb) (podstawowy materiał, z którego wykonywano kratki akumulatora), jest zastępowamy przez stopy:
  • ołowiu z wapniem – Pb-Ca;
  • ołowiu z wapniem i srebrem – Pb-Ca-Ag;

Rodzaj użytego stopu zależy od cechy akumulatora, która jest najważniejsza dla danego zastosowania akumulatora. Jeśli ważniejsza są: odporność cykliczna i mechaniczna, a godzimy się na okresowe uzupełnianie wody, to korzystniejszy jest stop ołowiu i antymonu. W akumulatorach dla samochodów osobowych, ważna jest bezobsługowość, długi okres „życia” akumulatora z możliwie dużą zdolnością rozruchową. Te cechy zapewnia dodatek srebra (fot.3). Pośrednimi cechami charakteryzuje się stop z wapniem.

Oprócz doboru materiału kratek, problem ubytku wody w akumulatorze jest rozwiązywany też innymi środkami. W akumulatorze otwartym, do którego nie można dolewać wody destylowanej i mierzyć gęstości elektrolitu, dla zapewnienia wymaganej ilości elektrolitu przez cały okres pracy akumulatora (3, 4 lub 5 lat) podczas produkcji wlewany jest nadmiar elektrolitu (fot.2b). Ten tym akumulatora jest ponadto zamknięty pokrywą z labiryntowym układem kanałów. Jej zadania są następujące:
  • schłodzić i skroplić parę wodną, tak by powróciła do cel akumulatora

  • utrudnić wyrzut lub wylanie elektrolitu z cel akumulatora;
  • utrudnić wydostanie się z cel akumulatora masy czynnej, która odpadła z elektrod;
  • utrudnić możliwość przedostania się płomienia do cel akumulatora, w przypadku wybuchu gazów (tlenu i wodoru) w otoczeniu akumulatora.

Przekrój pokrywy systemu STE firmy Exide pokazuje fot.4. Jej podstawowym elementem (fot.4a, widok od dołu) są korki (fot.4b). Posiadają one: 1 – membranę z teflonu, przepuszczalną dla gazów, ale nieprzepuszczalną dla elektrolitu i jego par oraz zabezpieczająca przed wejściem płomienia do wnętrza celi; 2 – labirynt, zatrzymujący cząstki masy aktywnej i sprzyjający skraplaniu pary wodnej; 3 – płytka ustalająca membranę 1, oraz pełniąca rolę zaworu bezpieczeństwa (gazy mogą ujść przez szczeliny). Gaz uchodzący przez korki przepływa kanałami w pokrywie (fot.4c, widok od góry) do centralnego otworu wylotowego.

Kolejnym sposobem ograniczenia ubytku wody, wskutek utraty wodoru i tlenu, jest ich rekombinacja, czyli ponowne utworzenie z nich wody oraz jej powrót do elektrolitu. W akumulatorach otwartych, jako dodatkowe rozwiązania, mogą być stosowane wkładki katalityczne, powodujące przekształcenie tlenu i wodoru w wodę. W akumulatorach zamkniętych, typ VLRA, proces rekombinacji jest konieczny. Odbywa się przez dodatkowe reakcje na elektrodzie ujemnej.

Kształt i ustawienie elektrod
Elektrody akumulatora są przeważnie płaskie, ustawione równolegle i przedzielone separatorem. Okazało się jednak, że powrót do technologii pierwszego akumulatora (rok 1859, fizyk francuski Gaston Plante), czyli spiralne zwinięcie elektrod przedzielonych separatorem (akumulator marki Optima, fot.5) ma istotne korzyści: odporność na wstrząsy, możliwość szybkiego ładowania oraz wyładowania dużym prądem.

Postać elektrolitu
Elektrolit jest przeważnie w formie płynnej. Oprócz możliwości wylania się (nadmierny przechył lub uszkodzenie akumulatora), płynny elektrolit ulega segregacji (cięższy jest na dole, lżejszy na górze) a jego przemieszczanie się obniża sprawność akumulatora. Dlatego aby unieruchomić elektrolit:

  • w akumulatorach żelowych (np. Exide Gel), dodaje się do elektrolitu kwas krzemowy;
  • w akumulatorach AGM (Absorbent Glass Mat), elektrolit jest unieruchomiony przez matę z mikrowłókien szklanych lub włókna polimerowego, umieszczoną pomiędzy elektrodami (akumulator Varta Ultra Dynamic, fot.6);
W akumulatorach spiralnych elektrolit jest w formie pasty.

Akumulatory motocyklowe
Mają one napięcia 6 lub 12 V. Są wykonywane jako otwarte, z możliwością uzupełniania wody, oraz jako całkowicie bezobsługowe i zamknięte, typu VRLA (akumulator firmy Yuasa, fot.7). Te ostatnie powinny być stosowane w pojazdach typu „off rod”, bowiem wymagana jest w nich szczególna odporność na wstrząsy, a muszą pozostać szczelne nawet po obrocie akumulatora o 180OC.

Akumulatory klasy HD
Od akumulatorów klasy HD (Heavy Duty – wytrzymałe, do długotrwałej pracy) dla ciężarówek, wymaga się:
  • odporności na wstrząsy, 2 razy większej niż wymagają normy europejskie;
  • odporności cyklicznej, 4 razy większej niż w akumulatorach standardowych;
  • odporności na głębokie rozładowanie;

  • długiej „żywotności”;
  • wysokiego prądu rozruchowego w niskich temperaturach.
Z powyższych względów, większość akumulatorów tego typu jest wykonywanych jako otwarte, z możliwością uzupełniania wody. To nie brak nowoczesności a konieczność sprostania wymaganiom.

Autor: mgr inż. Stefan Myszkowski