Что такое аккумулятор. Устройство аккумулятора, разряд аккумулятора

Понятие «аккумулятор» хотя бы в общих чертах знакомо всем. Сейчас, даже трудно представить, как современное человечество смогло бы обходиться без аккумуляторов. Так, случись перебой электроснабжения в осветительной сети, аккумуляторный резерв поможет без осложнений закончить хирургическую операцию; без аккумуляторного «пускача» не завести двигатель тяжелого грузовика, прогулочного теплохода или авиалайнера. Даже из этих немногих примеров ясно, что главное назначение аккумуляторов — автономное, то есть независимое от электросети, питание разного рода потребителей. С аккумуляторами кто-то связан постоянно, например, по роду своих занятий. Другие имеют дело с этим устройством от случая к случаю. Пользователям такого рода и адресован настоящий материал в первую очередь. При этом речь здесь пойдет об эксплуатации сравнительно небольших герметичных аккумуляторов для питания бытовой техники: часов, видеокамер и т. д.

Как любое техническое устройство, аккумуляторы рассчитаны на определенные условия работы, что оговаривается в приложенной к изделию инструкции. На практике же эти условия отличаются от «типовых», что ставит владельца в затруднительное положение. Последнее связано с небезосновательным опасением вывести аккумулятор из строя. Поэтому, чтобы аккумулятор работал как можно дольше, желательно больше знать о своем помощнике.

Но прежде, чем углубиться в технические вопросы, обратим внимание на укоренившееся смешение двух понятий. То, что в просторечии зовется аккумулятором, в действительности представляет собой аккумуляторную батарею, составленную из нескольких аккумуляторов. Подобное соединение аккумуляторов в группу делается как для увеличения отдаваемой сообща электрической мощности, так и для согласования их электрических характеристик (напряжения). Указанного разделения понятий «аккумулятор» и «аккумуляторная батарея» (или, кратко, просто «батарея») мы будем придерживаться в дальнейшем.

Соперники аккумулятора

Как известно, аккумулятор способен накапливать электрическую энергию для последующей отдачи ее токоприемникам. Этой цели служат также гальванические элементы и конденсаторы, которые в некоторых областях применения способны конкурировать с аккумуляторами. В гальванических источниках тока электрическая энергия выделяется в процессе протекания в них электрохимической реакции. При этом химические вещества электродов гальванических элементов необратимо расходуются. Такие гальванические элементы, как и аккумуляторы, также соединяют в батареи, которым нередко придают габариты и форму аккумуляторов, что делает те и другие взаимозаменяемыми. Кстати, подобное положение дает возможность предприимчивым, но не особенно добросовестным дельцам декорировать более дешевые гальванические элементы наклейками аккумуляторов, зарабатывая на доверчивости покупателей. А как покупатель сможет сам выбирать между сравнительно дешевыми одноразовыми элементами, постоянно заменяемыми свежими, и дорогостоящими аккумуляторами, емкость которых удается многократно возобновлять? Решающим аргументом в пользу выбора элементов служит лишь отсутствие электросети для зарядки аккумулятора. Ну а там, где нужен разряд сравнительно большими токами, лидерство принадлежит аккумуляторам.

К возобновляемым накопителям электроэнергии наряду с аккумуляторами относятся также конденсаторные батареи. Они привлекательны своей простотой, дешевизной и скоротечностью зарядки. Однако чрезвычайно быстрое падение разрядного напряжения до недавних пор позволяло их использовать в импульсном режиме, например, для разового аварийного приведения в действие высоковольтных выключателей на электроподстанциях. Правда, в последнее время появился новый «ионный» тип конденсаторов, обладающих гигантскими емкостями, что позволяет обеспечить им значительную длительность разряда. Но пока мощность таких конденсаторов мала, так что они способны заменить химические источники тока лишь в узлах хранения «памяти» телефонных аппаратов. Отечественная серия таких конденсаторов имеет марку К58. А там, где необходимо отдавать нагрузкам токи от единиц до сотен ампер, среди «толпы соперников» наиболее подходящим всегда оказывается аккумулятор.

Как устроен аккумулятор

Рис. 1. Схема устройства аккумулятора: 1 — корпус; 2 — токосъемник; 3 — активное вещество; 4 — сепаратор; 5 — электролит.

С устройством и действием аккумулятора мы познакомимся в самых общих чертах, поскольку эти изделия, используемые в быту, выпускаются неразборными и ремонту не подлежат. Однако представление о «начинке» аккумулятора желательно при обсуждении некоторых вопросов их эксплуатации.

Схема устройства «обычного» аккумулятора приведена на рис. 1. Здесь в корпусе устройства находятся снабженные внешними выводами токосъемники, которые имеют вид металлической решетки, сетки либо тонкой перфорированной ленты. На поверхность токосъемников нанесён слой активной массы (активного вещества). Токосъемник с активной массой называют электродом. В корпусе оба электрода разделены дырчатым или микропористым сепаратором, который обеспечивает между ними изолирующий промежуток. Все свободное пространство в корпусе заполнено электролитом. Поскольку электролит химически агрессивен, для бытовых целей и вообще в переносной аппаратуре применяются аккумуляторы и батареи в герметичном корпусе. Иную конструкцию имеют миниатюрные «таблеточные» аккумуляторы (отечественные Д-0,06...Д-0,25), имеющие небольшую емкость. Металлические чашки корпуса, служащие электрическими выводами, здесь изолированы кольцевой прокладкой и скреплены завальцовкой краев.

Для заряда аккумулятора (батареи) к его выводам присоединяют (с учетом обозначенной полярности «+», «-») соответствующий источник питания. При этом происходит химическая реакция между активными веществами электродов и электролитом. В результате между выводами появляется электродвижущая сила. Полезно напомнить, что подключение зарядного источника с неправильной полярностью губит аккумулятор. Когда к выводам заряженного аккумулятора присоединено сопротивление нагрузки, в цепи возникает ток, протекание которого сопровождается в аккумуляторе химическими реакциями, обратными проходившим во время заряда.

Электрохимические системы аккумуляторов

В зависимости от электрохимической схемы е аккумуляторах применяют электроды и электролиты различного состава. Наиболее распространенными вследствие относительной дешевизны являются щелочные аккумуляторы с никель-кадмиевыми (НК) электродами и щелочным электролитом. Некоторое распространение получили аккумуляторы с серебристо-цинковыми (СЦ) электродами и также с щелочным электролитом. Реже встречаются другие системы. Так, в 70-х гг. у нас был разработан аккумуляторный аналог гальванической батареи «Крона» на основе свинцово-кислотных аккумуляторов (в массовое производство не пошел). Сейчас все более активно в обиход стали входить аккумуляторы, изготовленные с применением лития (понятно, за улучшение потребительских качеств покупателю приходится дополнительно облегчать свой карман).

Ну а теперь подробнее о технических характеристиках бытовых аккумуляторов для переносной аппаратуры. Повторю, что о свинцовокислотных автомобильных аккумуляторах мы здесь говорить не будем.

Аккумуляторы НК типа характеризуются сравнительной долговечностью, способностью к длительному хранению в полностью разряженном состоянии, скромной стоимостью. Однако из-за невысокой удельной энергоемкости (выражаемой в Вт•ч/кг), их «бытовой» ассортимент обычно ограничен типоразмерами с емкостью до 0,25 А•ч. Аккумуляторы же с большей емкостью оказываются слишком тяжелы и громоздки для переносной аппаратуры. Так, распространенная батарея 7Д-0,1 емкостью 0,1 А•ч весит 55 г, а батарея аккумуляторов КНГ-1,0Д с емкостью 1 А•ч на то же напряжение весит около 450 г.

В несколько раз лучшие удельные показатели имеют СЦ аккумуляторы. Собранная из аккумуляторов СЦ-0,5 батарея с параметрами упомянутой с КНГ-1,0Д весит всего около 150 г. Но долговечность СЦ изделий невелика, а стоимость значительна.

Здесь мы не касаемся чисто электрических характеристик изделий разных систем, поскольку речь о них пойдет ниже, в соответствующих разделах.

Разряд аккумулятора

Рис. 2. Эквивалентная схема аккумулятора: Е — эдс; Rвн — внутреннее сопротивление.

Если к выводам аккумулятора присоединить вольтметр и измерить как напряжение холостого хода, так и напряжение при нагрузке (даже небольшим током), легко заметить разницу в показаниях прибора — во втором случае оно будет ниже.

Это объясняется тем, что вначале мы измеряли электродвижущую силу (эдс) аккумулятора, а затем напряжение, оставшегося за вычетом падения напряжения при протекании тока через электроды и электролит (их общее сопротивление называют внутренним сопротивлением источника). Данное положение позволяет представить аккумулятор в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 2.

Значение эдс какого-либо аккумулятора, а также его внутреннего сопротивления зависят от типа электрохимической схемы аккумулятора (от его типа) и степени его разряженности. Эти показатели и определяют напряжение аккумулятора, развиваемое при той или иной его нагрузке.

Рис. 3. Разрядные характеристики аккумуляторов типа СЦ и НК.

Как уже отмечалось, чтобы обеспечить нормальную работу нагрузки при заданном напряжении, несколько аккумуляторов соединяют последовательно в батарею. Номинальным напряжением аккумулятора считается то, которое он развивает в «свежем» состоянии в начальный момент разряда на стандартную для него нагрузку. Таким напряжением для никель-кадмиевых аккумуляторов считают 1,2 В, для серебряно-цинковых — 1,5 В, для свинцово-кислотных — 2 В, для серебряно-кадмиевых — 1,3 В. Исходя из этого батарея на номинальное напряжение 9 В должна состоять, например, из семи НК аккумуляторов или из шести СЦ аккумуляторов. Поскольку по мере разряда аккумулятора его внутреннее сопротивление растет, а эдс уменьшается, напряжение на присоединенной нагрузке будет падать. На рис. 3 даны характеристики разряда при постоянной силе тока в координатах: напряжение и — время разряда t. Из приведенных графиков видно, что у СЦ аккумуляторов разрядное напряжение (пока не будет отдана вся емкость) мало зависит от значения потребляемого тока и от времени разряда. Такое качество весьма ценно, так как позволяет обходиться без стабилизаторов напряжения на нагрузке. Объяснением такого поведения СЦ аккумулятора служит присущее ему весьма низкое внутреннее сопротивление и его слабая зависимость от степени разряда. Это же позволяет СЦ аккумуляторам выдерживать нагрузочные токи, в несколько раз превышающие его нормальные токи разряда. Как следствие, отдаваемая СЦ аккумуляторами емкость очень мало зависит от режима разряда.

Разрядное напряжение НК аккумуляторов заметно снижается по мере разряда, а крутизна падения характеристики увеличивается с ростом нагрузки. Емкость НК аккумуляторов также ощутимо уменьшается с ростом интенсивности разряда. Но это не значит, что малоемкостные герметичные НК батареи не могут работать при больших разрядных токах. Так, автор использовал повторно-кратковременный режим разряда батареи 7Д-0,1 током 165 мА, после чего батарея продолжительное время служила в радиоприемнике без ухудшения качества работы.

Общей особенностью аккумуляторов всех систем является значительное снижение их емкости при отрицательных температурах, что нередко делает работу электроприборов в таких условиях невозможной. Избежать подобных неприятностей достаточно просто. Надо лишь организовать питание аппарата от выносного источника, спрятанною от мороза под одеждой и, конечно, связанного с аппаратом электрическим шнуром. Но в некоторых случаях низкие температуры даже желательны. Так, они чрезвычайно благоприятны для хранения заряженных аккумуляторов, ведь на морозе во много раз замедляется процесс саморазряда. Чтобы привести аккумулятор в работоспособное состояние и вернуть ему нормальную емкость после такого хранения, достаточно только отогреть его. Замечу также, что хотя при повышенных температурах отдаваемая емкость может несколько возрасти, саморазряд в паузах хранения способен быстро «съесть» заряд. Для сравнения укажем, что при температуре минус 10°С НК аккумулятор (конечно, полностью перед тем заряженный) способен отдать 50...60% от своей номинальной емкости, а у СЦ аккумулятора снижение емкости начнет наблюдаться только при переходе «вниз» за эту температуру. Различно отношение аккумуляторов разных типов к глубоким разрядам. Так, «посадка на нуль» НК аккумуляторов благоприятна для хранения, а вот для свинцово-кислотных она может оказаться губительной. Для СЦ аккумуляторов глубокие разряды нежелательны.

Нештатные ситуации при эксплуатации аккумуляторов

Эксплуатация любой стандартной аккумуляторной батареи герметичной конструкции достаточно проста, если осуществляется в предусмотренных инструкцией условиях. Допустимая интенсивность разряда обеспечивается «автоматически», когда батарея используется с аппаратурой, рассчитанной на данную батарею. Предел разрядного уровня легко устанавливается по факту снижения качества работы прибора (искажения звука у радиоприемников, слабый накал лампы в фонаре и т. п.).

Зарядка «севшего» источника также не вызывает затруднений, если используется зарядное устройство, предназначенное для данного типа батареи. Единственная несложная забота владельца — обеспечить соответствующее время, отведенное на зарядку аккумулятора. Задача усложняется, когда необходимо произвести подзарядку после частичной отдачи емкости. Для этого придется прикинуть предшествующее время работы аппаратуры, соотнести его с полным разрядным циклом аккумулятора, после чего задать нужную длительность подзарядки. Но вообще-то в этом случае лучше полностью разрядить батарею и провести полный зарядный цикл, чтобы к нужному времени источник был гарантированно полным.

Но встречаются случаи нештатного характера, найти выход из которого не так просто. Допустим, вы решили перевести питание вашего устройства, рассчитанное на три элемента 316 (зарубежный стандарт АА) на НК аккумуляторы типа Д-0,1. Вы быстро разберетесь, что с учетом напряжения нагрузки (4,5 В) необходимо взять четыре указанных аккумулятора (общее напряжение будет 4,8 В). Но как и чем заряжать такую нестандартную батарею, если готовые зарядные устройства дают иные напряжения? Или, например, вам желательно заряжать вполне стандартную батарею на 9 В от нештатного источника, каким является 12-вольтовая батарея автомобиля, на котором вы предполагаете путешествовать вдали от электрифицированных мест. Чтобы решать подобные вопросы, следует разобраться в процессах, сопровождающих заряд, что мы и сделаем дальше. Только не забудем, что отдаваемая аккумулятором емкость (паспортный параметр) вовсе не равна получаемой при полной зарядке. Последняя на 5...8% выше у СЦ аккумуляторов и на 30% больше у НК аккумуляторов.

Продолжение на следующей странице: Как зарядить аккумулятор, конструкции устройств для зарядки, как восстановить аккумулятор

Все материалы раздела «Разное — идеи, советы, методики»

Предыдущие публикации:

• Бесплатная методика извлечения золота и серебра из электро- и радиодеталей в домашних условиях
• Поиск и сбор металлолома

Поделитесь этой страницей в соц. сетях:

Еще идеи и советы:
•	Как продлить срок службы батареек
•	Как почистить компьютер от пыли и грязи
•	Как починить зонт
•	Как правильно заточить нож и ножницы
•	Как правильно разморозить холодильник