1. Основные этапы развития свинцовых стартерных аккумуляторных батарей

Свинцовые аккумуляторные батареи известны уже сто пятьдесят лет. Однако и сегодня они являются наи­более массовым и дешёвым из химических источников тока, как благодаря относительной деше­визне применяемых для их производства материалов, так и высокой степени автоматизации со­временных аккумуляторных производств.

Первая свинцовая аккумуляторная батарея, которую французский учёный Гастон Планте (1834-1889) изготовил и подарил в 1860 году Французской Академии наук, имела общую актив­ную поверхность (площадь) электродов 10 м². Она собиралась из электродов поверхностного типа, которые имели очень большую массу и требовали длительных формировочных циклов, с перио­дическим изменением полярности электродов. Этот процесс продолжался от нескольких месяцев до двух лет.

Создание в 1881 году Фолькмаром (1847-1884) пластин на решётчатой основе стало той ба­зой, на которой очень активно и успешно начал развиваться наиболее распространённый и весьма эффек­тивный вид аккумуляторов.

За время своего существования технические характеристики свинцовых аккумуляторов с решётчатыми пасти­рованными (намазными) пластинами существенно изменились, как в отношении их качественных показателей, так и в отношении долговечности. Лучшие образцы конца XIX века имели удельную энергию по массе, равную 7-8 Вт·ч/кг при длительном разряде, и наработку около 100 циклов (заряд-разряд). Лучшие со­временные образцы стартерных батарей имеют удельную энергию 40-47 Вт·ч/кг, а наработка в зависимости от исполнения составляет 200-300 циклов, причём батареи с большей удельной энергией имеют несколько меньшую долговечность.

В нашей стране аккумуляторная промышленность начала активно развиваться параллельно с раз­витием автомобилестроения в тридцатые годы и к началу 1940 года сложилась в самостоятельную от­расль народного хозяйства, которая имела ряд заводов, свои квалифицированные научно-техниче­ские и производственные кадры. В этот период, вместе с созданием отечественных автомобилей и тракторов, было создано большое количество новых типов аккумуляторных батарей. Это были первые батареи для мото­циклов, стартерные аккумуляторные батареи для автотракторной техники в корпусах из асфальтопековой массы и эбонита (моноблочного типа).

В послевоенный период, после восстановления эвакуированных заводов, начались работы по их реконструкции, оснащению новым механизированным и прогрессивным на то время оборудова­нием. Одновременно создавались и запускались в серийное производство более совершенные типы аккумуляторных батарей для новых видов авто­тракторной техники. На смену деревянным сепараторам пришли более долговечные синтетиче­ские из поливинилхлорида и каучука («мипласт» и «мипор»).

В шестидесятые годы XX столетия, на фоне быстрого прогресса автомобильного и сельскохозяйственного маши­ностроения, бурного развития автомобильного транспорта, создаётся практически весь современный типо­размерный ряд отечественных стартерных аккумуляторных батарей. Эти батареи выпускались в моноблоках из эбонита и имели комбинированный сепаратор из мипласта и стекловолокна для по­вышения эксплуатационного срока службы.

Семидесятые годы ознаменовались целым рядом техно­логических разработок, внедрение которых позволило улучшить качество выпускаемых стартер­ных аккумуляторных батарей. Разработка и промышленное освоение коррозионностойких сплавов (с добавлением мышьяка) и усовершенствование технологии (с целью повышения коэффициента использова­ния активных масс) позволили примерно на 20 % снизить материалоёмкость батарей. Применение синтетических волокон, в качестве добавки в активную массу положительных электродов, позволило отказаться от массового применения сепараторов из стекловолокна без ущерба для долговечности батарей. Это значительно снизило трудоёмкость их сборки. Создание синтетических органических расширителей для отрицательного электрода и эффективных ингибиторов окисления свинца позволило улучшить разрядные характеристики аккумуляторных батарей при отрицательных температурах (что особенно актуально для эксплуатации в условиях наших холодных зимних месяцев) и освоить производство аккумуляторных батарей в сухозаряженном исполнении.

В восьмидесятые годы активно велись работы по разработке и освоению производства современных конструкций батарей в тонкостенных моноблоках из сополимера пропилена с общей крышкой и создание оборудования для их производства. Тогда же были заложены основы и начато производство аккумуляторных батарей с увеличенными межрегламентными сроками. В девяностые годы в России начали осваиваться стартерные батареи с сепараторами-конвертами из микропористого полиэтилена, что значительно повысило их мощность и надёжность.

Прогресс в автомобилестроении ведёт к росту мощности автомобильных двигателей при снижении удельного расхода топлива, в том числе и за счёт повышения степени его сжатия в ка­мере сгорания. Это требует соответствующего увеличения мощности стартерного разряда акку­муляторной батареи. И одновременно с этим, для достижения максимальной экономичности необ­ходимо снижать удельную массу всех составных частей автомобиля, в том числе и аккумуляторных батарей, масса которых составляет от 15 кг на легковом автомобиле с двигателем до 1,5 л до 120 кг (две батареи по 12 В) на магистральных автопоездах. Вместе с тем, создатели современных автомобилей стремятся минимизиро­вать объём работ по обслуживанию отдельных его элементов в процессе эксплуатации. Появляется всё больше узлов и комплектующих изделий в закрытом исполнении, исключающем возможность доступа в них со стороны водителя. Такие же требования с конца девяностых годов XX столетия стали применять ведущие мировые автопроизводители и к стартерным аккумуляторным батареям. Поэтому задача дальнейшего совершенствования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, являющихся в настоящее время главным источником электрической энергии для запуска двигателей внутреннего сгорания, сохраняет свою актуальность и сегодня. В ближайшем будущем ожидается значительное ужесточение требований к автомобильным аккумуляторным батареям по выполнению всех основных потребительских функций. Это связано с планируемым переводом в 2015-2017 годах всех автомобилей, выпускаемых в Западной Европе, на системы, функционирующие в режиме «старт-стоп».

На значительном количестве автотракторной техники стартерная аккумуляторная батарея, после пуска двигателя в начале движения, длитель­ное время работает в условиях непрерывного заряда. К характерным «представителям» данной категории, работающим в таких условиях, можно отнести магистральные грузовики на междугородных грузоперевозках, междугородные автобусы и другие машины, работающие с большими среднесуточными пробегами без частых остановок при относительно стабильном режиме работы двигателя. На этих машинах батареи работают в режиме преобладающей кратковременной стартерной нагрузки с последующим длительным зарядом при постоянном напряжении и конструктивно построены таким образом, чтобы иметь форсированную мощность стартерного разряда при отрицательной температуре.

Другой типичной группой автотракторной техники являются машины для внутригородских перевозок, грузовые и строительно-дорожные машины с агрегатами, имеющими гидравлический привод, радиофицированные такси и другие транспортные средства аналогичного назначения. На них батарея служит не только для пуска двигателя, но и используется как буферный источник питания для покрытия пиковых нагрузок энергопотребления с возможностью глубоких (до 40 % от номинальной ёмко­сти) разрядов. Создание батарей для такой техники требует несколько иного подхода. Эти батареи должны быть более устойчивы к глубоким разрядам и при этом могут иметь меньшую удельную мощность стартерного разряда (исполнение HD и SHD).

Современное развитие науки и техники позволило начать массовое производство свинцовых батарей закрытого исполнения с регулирующим клапаном (VRLA). В этих батареях удалось реализовать замкнутый кислородный цикл по аналогии со щелочными герметичными аккумуляторами. Благодаря этому, в процессе эксплуатации вода, входящая в состав электролита, почти не разлагается и, следовательно, доливка дистиллированной воды в процессе эксплуатации не требуется. Батареи закрытого исполнения с регулирующим клапаном (VRLA) имеют иммобилизованный (связанный) электролит. Такие батареи нашли применение, в первую очередь там, где требуется обес­печить работоспособность в любом пространственном положении. Это системы резервного и ава­рийного энергоснабжения, бытовая техника и т.д. Использование аккумуляторных батарей такого типа на современных видах ав­томобилей и перспективной техники постоянно расширяется, благодаря созданию систем оптимизации электроснабжения и стабилизации режи­мов работы бортового электрооборудования.