Привет, Хабр! Мы продолжаем подвергать всесторонним испытанием пять аккумуляторных батарей для легковых автомобилей азиатского производства. Это российские АКТЕХ Standart, Тюмень ASIA, АКОМ ASIA, Tubor Classic и белорусский ZUBR ASIA.
Для успешной эксплуатации аккумулятора под капотом автомобиля необходима не только способность питать бортовые электроприборы и стартер при запуске мотора, но и эффективная зарядка АКБ от генератора при работающем двигателе. В противном случае будет прогрессировать недозаряд, который приводит к сульфатации и расслоению электролита.
▍ Что такое сульфатация?
Слово «сульфатация» применительно к свинцово-кислотным аккумуляторам имеет два значения.
Положительные активные массы (ПАМ), представляющие собой оксид свинца, и отрицательные активные массы (ОАМ), являющиеся губчатым металлическим свинцом, при отдаче полезной энергии потребителю превращаются в сульфат свинца. Процесс сопровождается расходом серной кислоты из электролита и выделением в него воды.
При заряде данная реакция двойной сульфатации Гладстона-Трайба происходит в обратном направлении. Сульфат свинца превращается в губчатый свинец ОАМ и оксид свинца ПАМ. Расходуется вода и выделяется серная кислота.
Эта нормальная, рабочая сульфатация ПАМ и ОАМ, (поэтому она называется термином «двойная»), является электрохимической реакцией и происходит под действием электрического тока. А патологическая сульфатация наступает, когда сульфат свинца кристаллизуется из раствора, что происходит в случае длительного нахождения АМ в разряженном состоянии.
Структура и размеры кристаллов сульфата свинца, образовавшихся электрохимическим путём и кристаллизующихся из раствора, различаются между собой. Кристаллы, выпавшие из раствора, более труднорастворимы. Для их диссоциации необходим полный стационарный заряд, который также называют десульфатацией.
Чем эффективнее аккумулятор восполняет заряд от генератора, тем дольше он сможет проработать до следующего стационарного заряда, и тем лучшие эксплуатационные характеристики проявит.
▍ Расслоение электролита и его последствия
Плотность серной кислоты в 1.83 раза выше плотности воды. Это означает, что выделяющаяся при разряде вода всплывает вверх, а высвобождающаяся в процессе заряда кислота тонет на дно банки.
Вышеописанное явление называется расслоением электролита, и оно приводит к двум крайне неприятным последствиям.
Во-первых, температура замерзания электролита зависит от концентрации в нём серной кислоты. Если в верхней части банок последняя слишком низка, при минусовой температуре электролит может замёрзнуть. И аккумулятор будет не только не в состоянии запустить двигатель, но и может получить механические повреждения вследствие расширения воды при переходе в твёрдое состояние.
Во-вторых, когда двигатель запущен, аккумулятор должен восполнять заряд. А для этого обязаны выполняться целых два условия.
▍ Без чего АКБ не заряжается?
Первым условием является наличие воды в зоне реакции, то есть, в порах разряженных положительных и отрицательных активных масс. Только тогда они смогут, упрощённо говоря, «отдать сульфат-ион» воде, тем самым, превращая её в серную кислоту.
Подчеркнём ещё раз: вода в электролите — это не просто растворитель, а ключевой реагент токообразующей реакции.
Второе условие успешного восполнения заряда заключается в том, что зарядное напряжение должно превышать термодинамическую ЭДС электрохимической ячейки. А она тем выше, чем выше концентрация кислоты.
В нижней части банок и в глубине активных масс при заряде образуется избыток кислоты, и соответственно, недостаток воды. Потому заряд этих участков АМ прекращается, тогда как активные массы сверху банок и на внешней поверхности пластин уже заряжены.
Куда в таком случае расходуется зарядный ток? На нагрев аккумулятора и электролиз воды в верхней части банок. При этом снизу ни перемешивания электролита, ни заряда активных масс не происходит.
У старых сурьмянистых аккумуляторов эта проблема не была такой выраженной. В процессе заряда (не только стационарного, но и под капотом в поездке) происходило равномерное газовыделение, которое эффективно перемешивало электролит. Но при этом терялось много воды, которую требовалось часто доливать.
Современные кальциевые аккумуляторы имеют не только более высокое напряжение начала газовыделения, но и плотные сепараторы, защищающие активные массы от оплывания. Это снижает расход воды и повышает долговечность, а также позволяет экономить свинец, используя более тонкие решётки. Но перемешивание электролита ещё более затрудняется.
Чтобы эффективно заряжать такую сложную и капризную физико-химическую систему, как современный кальциевый свинцово-кислотный аккумулятор, разработаны многоэтапные профили заряда.
На этапе основного заряда большая часть активных масс не испытывает недостатка воды, потому есть возможность заряжать значительным током — 10 или даже 20% паспортной ёмкости до напряжения 14.4-14.8 вольт, либо по методу Вудбриджа током до 100% ёмкости до напряжения 13.3 или даже 14.8 В.
▍ Что происходит под капотом?
То есть, на клеммы аккумуляторной батареи ёмкостью 60 ампер*часов подаётся ток силой 60 ампер! Вы считаете это варварством? А генератор и регулятор напряжения бортовой сети автомобиля так не считают. Именно таков максимальный зарядный ток под капотом типичного легкового автомобиля.
Значит ли это, что аккумулятор заряжается током 60 ампер в течение всей поездки? Нет, вследствие заряда активных масс ЭДС аккумулятора растёт, плюс нарастает поляризация. Потому зарядный ток постепенно снижается.
Значит ли это, что аккумулятор можно полностью зарядить за час? Нет, не значит.
По мере того, как заряжаются активные массы, то есть пористые намазки на сетках пластин, окружённые конвертами сепараторов, вокруг них возрастает концентрация кислоты и снижается концентрация воды. Химическая реакция заряда становится затруднительной, а затем невозможной.
На следующих стадиях заряда необходимо повышать зарядное напряжение и либо дожидаться у моря погоды диффузии, либо каким-то образом перемешивать электролит.
Корпорация BOSCH предусмотрела в конструкции своих аккумуляторов премиальной серии EFB (enhanced flooded battery, улучшенная наливная батарея) внутри банок воронки специальной формы, которые способствуют перемешиванию электролита при ускорениях во время движения.
В аккумуляторах других марок такие перемешивающие элементы отсутствуют. Мы проводили экспериментальное исследование эффективности перемешивания электролита при движении транспортного средства на примере аккумулятора АКОМ +EFB 6СТ-60VL и констатировали, что оно недостаточно эффективно даже в случае продолжительных поездок.
▍ Как гравитация способствует саморазряду
Итак, при эксплуатации аккумулятора под капотом автомобиля или в источнике бесперебойного питания (ИБП) в нижней части банок будут оставаться разряженные активные массы, окружённые аномально высокой концентрацией кислоты.
Вы спросите, причём тут ИБП? Автомобиль — это понятно. Там аккумулятор разряжается в момент пуска двигателя, а также на стоянке, питая сигнализацию. Но в ИБП он, наоборот, подзаряжается буферным напряжением. Как в таком случае может происходить саморазряд?
Сульфат-ион тяжелее гидроксид-иона. То есть потенциальная энергия в гравитационном поле на одной и той же высоте от центра масс Земли у иона серной кислоты выше, чем у иона воды. И несмотря на то, что обе жидкости полностью смешиваются, прекрасно растворяя друг друга, более тяжёлая жидкость будет стремиться на дно сосуда, выталкивая более лёгкую на поверхность.
В силу броуновского движения и диффузии этот процесс происходит медленнее, чем саморасслоение смеси воды и масла, которые друг в друге не растворяются. Но он происходит.
Там, где концентрация серной кислоты выше, термодинамическая ЭДС электрохимической ячейки при равной температуре будет выше. Активные массы пластины электрически соединены между собой решёткой.
Таким образом, даже при воздействии внешнего зарядного напряжения, если оно ниже ЭДС электрохимической ячейки в нижней части банки, через решётку потечёт ток саморазряда. Для нижних активных масс, если они заряжены, он будет разрядным. Для верхних — зарядным.
На что будет расходоваться ток саморазряда, если активные массы в верхней части банки заряжены? — Если разность потенциалов достаточна, то на электролиз воды. А ещё на формовку активных масс из материала решёток и тоководов.
Положительные несуще-токоведущие конструкции будут превращаться в «печенье с шоколадной крошкой» — оксид свинца, вследствие чего они осыпаются. А свинец отрицательных тоководов и решёток будет становиться губчатым.
При этом он не только теряет прочность, но и увеличивается в объёме, что приводит к возникновению мостиков короткого замыкания. Наиболее ярко эти губительные процессы и их печальные результаты бывают заметны у AGM аккумуляторов для ИБП.
▍ Приступаем к эксперименту
В ходе предыдущих тестов наши аккумуляторы были полностью заряжены, затем разряжены, после чего пытались запустить двигатель в разряженном состоянии.
Заряжать все пять испытуемых АКБ мы будем адаптивными ЗУ «Бережок V1» в автоматическом режиме. Это ЗУ выпускается Санкт-Петербургским научно-производственным предприятием «Орион» и управляется микроконтроллером, подбирающим зарядные токи и напряжения в зависимости от состояния аккумулятора, чтобы избежать его перегрева и чрезмерного газовыделения.
Также ЗУ снабжено жидкокристаллическим дисплеем, отображающим, кроме текущих значений напряжения и тока, время заряда и количество ампер*часов, сообщённых аккумулятору. Это позволит нам оценить, насколько быстро и эффективно заряжается каждая из пяти АКБ.
Температура в помещении лаборатории +25-26 градусов Цельсия. По прошествии четырёх часов заряда она выровнялась и составила ровно +25.0 градуса.
Переводим все ЗУ в режим ожидания и читаем показания их дисплеев. Также измерим температуру корпуса каждого аккумулятора.
- АКТЕХ Standart 6СТ65 — результат не засчитывается, так как АКБ неисправна.
- Тюмень ASIA 6СТ65 — температура 28.1 градус Цельсия, напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) 12.4 В, АКБ получила 31.0 А*ч.
- АКОМ ASIA 6СТ65 — температура 28.1, НРЦ 12.6 В, ЗУ отдало 32.4 ампер*часа.
- Tubor Classic 6СТ60 — 28.0 градуса Цельсия, НРЦ 12.7 В, аккумулятору сообщено 29.6 А*ч.
- ZUBR ASIA 6СТ65 ZPA650 — температура 27.8, НРЦ 12.7 В, АКБ получила 32.3 А*ч.
▍ Разбор полётов
Температура всех АКБ после четырёх часов заряда практически одинаковая. Аккумуляторы нагрелись до 28 градусов Цельсия, что считается самой оптимальной температурой для диссоциации сульфата свинца и, соответственно, эффективного протекания реакции Гладстона-Трайба в направлении заряда.
Использованные нами ЗУ не имеют датчиков температуры, но отслеживают изменение электрических параметров в процессе заряда. Как видим, это действительно позволяет избежать перегрева аккумулятора и производить заряд с оптимальной силой тока и оптимальными паузами между зарядными импульсами для диффузии реагентов в объёме банки аккумулятора.
Как и во всех предыдущих тестах, российский аккумулятор АКОМ и белорусский ЗУБР не только имеют одинаковый дизайн корпуса, но и ведут себя практически одинаково. Ведь обе АКБ произведены по технологии концерна Exide. Их конструктивное исполнение приближено к тяговым аккумуляторам и АКБ для систем «Старт-Стоп».
На сравнительной таблице бросается в глаза, что внутреннее сопротивление в разряженном состоянии, которое мы измеряли в предыдущей статье, у двух эксайдовских АКБ ниже, чем у их конкурентов, более чем в полтора раза.
Этот эксплуатационный параметр особенно важен для заряда от генератора, и тем более при наличии системы «Старт-Стоп», но и при стационарном заряде АКБ он тоже заметно проявляется.
Медленнее всего заряжалась АКБ Тюмень ASIA 6СТ65. Также она показала самое низкое НРЦ после прерывания процесса заряда. Дело в том, что этот аккумулятор, в отличие от трёх остальных, произведён по классической технологии и имеет конструкцию и заводскую плотность электролита, характерную для обычных стартерных батарей.
Все аккумуляторы показали хорошие результаты. Тем не менее, поставим каждому из них от 2 до 5 баллов скорости заряда, и в итоге имеем следующую таблицу результатов.
Первое место на протяжении всех испытаний сохраняется за инновационной АКБ АКОМ. Классическая Тюмень сохраняет своё второе место, которое делит с аккумулятором ЗУБР, поднявшимся с третьего места.
На третьем месте находится АКБ Тубор, проигрывающая практически по всем параметрам. Но не будем забывать, что её номинальная ёмкость 60 А*ч, а у всех остальных участников соревнования она составляет 65 А*ч. И стоимость этого аккумулятора значительно ниже, чем у остальных.
АКБ АКТЕХ Standart 6СТ65 сошла с дистанции, так как она неисправна. И как сообщили сотрудники аккумуляторного магазина, в партии оказался непригодным к эксплуатации ещё как минимум один аккумулятор этой модели.
Сегодня мы протестировали скорость заряда при комнатной температуре. Однако автотранспорт эксплуатируется и зимой, потому мы повторим эксперимент при отрицательной температуре аккумулятора.
Видеоверсия статьи
Опытные данные предоставлены автором экспериментов и видео — Аккумуляторщиком Виктором Vector.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале 🚀
