Об одной из причин отказа автомобильных аккумуляторов

В статье изложен механизм возникновения эффекта расслоения кислоты – одного из основных причин отказа аккумуляторов в автомобилях.

А. Мельниченко

В последнее время среди причин дорожных про­исшествий, регистрируемых клубом автомобилистов Германии (ADAC), впервые был отмечен быстрый рост случаев выхода из строя аккумуляторов, в том числе в новых автомобилях. Эксперт клуба по электронике называет одной из причин давление, оказываемое на производителей аккумуляторов со стороны автомо­билестроителей с целью снижения цен на их продук­цию. “Это не могло не отразиться на качестве аккуму­ляторов”, – заявил он.

Непрерывный рост числа электронных устройств в автомобиле приводит к увеличению потребляемого тока, что приводит к увеличению глубины зарядно­разрядных циклов аккумуляторов. Это сокращает срок их службы, который в некоторых случаях оказы­вается короче, чем гарантийный срок эксплуатации автомобиля. Источником проблем явился, казалось бы новый эффект расслоения кислоты, наблюдае­мый, по некоторым данным, в более чем 80% автомо­билей и получивший название “стратификация”. Этот эффект является одной из основных причин отказа аккумуляторов, а следовательно снижения надежно­сти функционирования всей электроники автомоби­ля. При большом токе нагрузки аккумулятор начинает терять емкость и, наконец, выходит из строя.

Что такое расслоение кислоты?

Увеличение тока, потребляемого автомобильной электроникой, приводит к тому, что возрастает число случаев, когда аккумулятор отдает более половины за­пасенной в нем энергии. При этом расслоение кислоты ускоряется, чем снижается надежность аккумулятора.

В полностью заряженном аккумуляторе плотность электролита наибольшая, в то время как в почти раз­ряженном аккумуляторе электролит почти не отлича­ется от обычной воды. Весь сульфат при этом нахо­дится на свинцовых пластинах. Когда наполовину раз­ряженный аккумулятор подвергается воздействию большого зарядного тока, сульфат отделяется от пластин и оседает на дно. Во время очередного раз­ряда в нижней части аккумулятора скапливается зна­чительно больше сульфата, чем в его верхней части. С каждым последующим циклом эффект расслоения кислоты проявляется все сильнее.

Расслоение кислоты нарушает стехиометрическое равновесие аккумулятора. В верхней части его преоб­ладает вода, в нижней – серная кислота. В результате уменьшается активная поверхность электродов, а, следовательно, и емкость аккумулятора. В течение трех-шести месяцев эксплуатации он может потерять более 40% номинальной емкости. Преждевременная коррозия свинцовых пластин в нижней части аккуму­лятора ведет к прогрессирующему зашлаковыванию. Весь ток, потребляемый электроникой автомобиля, теперь снимается не со всей площади пластин, а только с их части, в результате чего плотность тока возрастает. Процесс уменьшения емкости нарастает лавинообразно вплоть до полного отказа аккумулято­ра. Исключив влияние расслоения кислоты, а также других негативных факторов, таких как повышенная и пониженная температуры, можно значительно прод­лить срок службы аккумулятора и предотвратить быстрое снижение его емкости.

Стремление уменьшить негативный эффект рас­слоения кислоты привело к разработке аккумуляторов серии AGM, в которых между пластинами проложен волокнистый материал. Он предназначен для предот­вращения оседания сульфата. Однако такой способ можно считать лишь частичным выходом из положе­ния. Как показали проведенные недавно исследова­ния, эти аккумуляторы (кстати, вдвое более дорогие) при эксплуатации быстро теряют более 20% емкости.

Избыточная емкость как решение проблемы

Едва ли что-либо может раздосадовать водителя больше, чем отказ аккумулятора во время запуска двигателя. В результате автомобилестроители пошли по пути значительного увеличения их емкости. Уже из­давна на автомобили высшего класса устанавливают огромные аккумуляторы емкостью до 120 А-ч. Имею­щие массу более 30 кг, эти “монстры” по своим разме­рам приближаются к разумному пределу. Вряд ли найдется другой узел, более противоречащий стрем­лению конструкторов уменьшить массу автомобиля, чем тяжелый аккумулятор, наполовину заполненный “мертвым” свинцом.

Руководствуясь желанием продлить срок службы аккумуляторов, инженеры разрабатывают сложные системы управления, отключающие в случае необхо­димости наиболее “прожорливых” потребителей, та­ких как электрообогреватели. Создаются сложные ал­горитмы, моделирующие процессы, протекающие в аккумуляторах и имеющие целью определить их сос­тояние и предсказать момент отказа. Однако надеж­ность этих моделей оказывается довольно низкой. Слишком сложным является влияние на электрохими­ческие процессы, происходящие в аккумуляторах, та­ких факторов, как расслоение кислоты, коррозия пластин и температура окружающей среды. В некото­рых случаях при создании моделей применяют фильт­ры Кальмана (Kalman filter), используемые, в частнос­ти, для автоматической стабилизации положения ле­тательных аппаратов в условиях отсутствия достовер­ных данных.

Изящество простых решений

Менеджер фирмы Даймлер-Крайслер предосте­регает от увлечения слишком сложными решениями. “У немецких инженеров, – говорит он, – существует привычка решать проблемы слишком сложно, стре­мясь вложить в одно решение весь объем имеющихся у них профессиональных знаний. Вместо этого необ­ходимо постараться решить проблему более просты­ми средствами”. С ним солидарен главный инженер фирмы iQ Power, несколько лет занимающийся проб­лемами управления энергопотреблением автомоби­лей. Он считает, что необходимо бороться с причина­ми отказов, а не с их симптомами.

Рис. 1. Аккумуляторы “MagiQ” с функциями резервирования и диагностики

При существенном уменьшении диапазона темпе­ратур и исключении ряда других факторов, действую­щих на аккумулятор, математическую модель проис­ходящих в нем процессов можно создать значительно быстрее и проще. Примером тому могут служить акку­муляторы “MagiQ” (рис. 1), созданные в рамках проек­тов PEIT (Powertrain Equipped with Intelligent Technolo­gies) и SPARC (Secure Propulsion using Advanced Re­dundant Control), выполняемых на фирме Daimler­Chrysler.

Кроме того, вместо разработки математических моделей можно сосредоточиться на поиске более простых, но эффективных решений. Так, инженеры фирмы iQ Power предлагают для перемешивания электролита использовать энергию движения автомобиля. Пластмассовые вставки (рис. 2), установленные в каждую банку аккумулятора, образуют узкие верти­кальные каналы, заставляющие кислоту перемещать­ся при движении автомобиля с нижней части аккуму­лятора в верхнюю (рис. 3). Такое простое, экономич­ное и эффективное решение позволяет существенно повысить надежность аккумуляторов и продлить срок их службы.

Рис. 2. Пластмассовые вставки для аккумуляторов, препятствующие расслоению кислоты

Рис. 3. Схема движения электролита в аккумуляторе