Η σχέση μπαταρίας και δυναμό σε ένα αυτοκίνητο. Ένα ζευγάρι που δε θα χωρίσει ποτέ!

Oreno-kgippl / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Ελευθέριος Κοσμίδης

Το 70% των βλαβών του αυτοκινήτου οφείλεται στο ηλεκτρικό σύστημα αυτοκινήτου, η κατανόηση αυτού θεωρείται απαραίτητη.

Αν ρωτούσαμε έναν χημικό μηχανικό τι είναι η μπαταρία;

Οι μπαταρίες των αυτοκινήτων είναι συστοιχίες επαναφορτιζόμενων στοιχείων. Είναι σχεδόν πάντα μολύβδου – θειικού οξέος, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι χάλυβα – αλκαλίου ή νικελίου – αλκαλίου. Η μπαταρία αποτελείται από έξι στοιχεία των 2 Volt, συνδεδεμένες σε σειρά έτσι ώστε στους ακροδέκτες της να έχει διαφορά δυναμικού 12 Volt. Η πραγματική τάση της μπαταρίας δεν είναι πάντα η ονομαστική των 12V. Κυμαίνεται από 14,5 V αμέσως μετά από μία πλήρη φόρτιση μέχρι τα 10,8 V αν είναι τελείως αφόρτιστη.

Τα βασικά χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας είναι τα εξής:

  • Μπορεί να επαναφορτιστεί εφ’ όσον έχει δώσει κάποια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Έχει χαμηλή εσωτερική αντίσταση και έτσι μπορεί να δίνει υψηλά ρεύματα για την εκκίνηση στην μίζα χωρίς να προκαλείται σημαντική πτώση τάσεως.
  • Ο ηλεκτρολύτης της είναι αραιωμένο θειικό οξύ και καθώς είναι διαβρωτικό πρέπει να μην του επιτρέπεται να έρθει σε επαφή με τα μάτια, το δέρμα , τα ρούχα ή τα εξαρτήματα και τα μέρη του αυτοκινήτου (Σε περίπτωση που πέσει κάπου οξύ πρέπει να το ξεβγάλουμε με άφθονο νερό).
  • Κατά την φόρτιση ο ηλεκτρολύτης παράγει υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτό το μίγμα αερίων είναι εκρηκτικό και πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή έτσι ώστε να αποφεύγουμε σπινθήρες, τσιγάρα ή φλόγες στην περιοχή όπου φορτίζεται μπαταρία.
  • Μέρος του νερού που διαλύει το θειικό οξύ εξατμίζεται κατά την εκφόρτιση και χρειάζεται αναπλήρωση με απεσταγμένο ή απιονισμένο νερό

Αν ρωτούσαμε ένα Φυσικό τι είναι το δυναμό;

Το δυναμό είναι μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, που παίρνει κίνηση από το στροφαλοφόρο άξονα με ιμάντα. Μειονεκτήματα του δυναμό είναι ο όγκος του για μια δοσμένη δύναμη και η αδυναμία του να φορτώσει τους συσσωρευτές στις χαμηλές στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Για το λόγο αυτό, σήμερα τείνει να αντικατασταθεί τελείως από τον εναλλακτήρα (alternatοr) που παράγει εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο συνέχεια ανορθώνεται σε συνεχές.

Αν ρωτούσαμε έναν ηλεκτρολόγο/μηχανολόγο μηχανικό για το ηλεκτρικό σύστημα; 

ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη:

  1. το τμήμα (κύκλωμα) παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας και
  2. τα τμήματα (κυκλώματα) κατανάλωσης της ενέργειας.

Στη φωτογραφία βλέπουμε ένα πλήρες ηλεκτρικό κύκλωμα αυτοκινήτου.

Όπως είναι φυσικό δεν βγάζει άκρη κάποιος εύκολα. Ένα απλοποιημένο σχεδιάγραμμα θα μπορούσε να είναι το επόμενο

Το κύκλωμα υψηλής τάσης, το οποίο έχει λειτουργική σχέση, μόνο με τον κινητήρα του αυτοκινήτου, ουσιαστικά είναι ένας κλάδος του ηλεκτρικού συστήματος του αυτοκινήτου και όχι τελείως ανεξάρτητο κύκλωμα. Το απλοποιημένο διάγραμμα διαδρομής της υψηλής τάσης είναι: χαμηλή τάση (μπαταρία, δυναμό) – πολλαπλασιαστής – διανομέας (ντιστριμπυτέρ) – μπουζί (σπινθηριστές).

Το κύκλωμα χαμηλής τάσης περιλαμβάνει την παραγωγή, την αποθήκευση του ηλεκτρικού ρεύματος στο αυτοκίνητο και την τροφοδοσία όλων των υπόλοιπων εξαρτημάτων ενός αυτοκινήτου που δουλεύουν με ηλεκτρισμό. Το κύκλωμα έχει τη μορφή: Δυναμό – αυτόματος – μπαταρία – διακόπτης, με παράλληλους κλάδους: α) μίζα (εκκινητήρας), β) πολλαπλασιαστής, γ) φώτα, δ) καθαριστήρες, ε) βεντιλατέρ (αν είναι ηλεκτρικό), στ) ανεμιστήρας καλοριφέρ, ζ) θερμαντική αντίσταση, για το πίσω κρύσταλλο, και η) αξεσουάρ – πίνακας οργάνων.

Αν ρωτούσαμε τον μηχανικό μας στο συνεργείο;

Η μπαταρία είναι κυρίως η πηγή που τροφοδοτεί τα ηλεκτρικά κυκλώματα του αυτοκινήτου με ρεύμα. Η μπαταρία λειτουργεί με 12 βολτ. Το δυναμό μαζί με την μίζα και την μπαταρία είναι τα σημαντικότερα ηλεκτρικά στοιχεία ενός αυτοκινήτου. Ο βασικός ρόλος της μπαταρίας δεν είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αλλά η αποθήκευση της παραγόμενης από το δυναμό.

Η ύπαρξη της μπαταρίας περνά απαρατήρητη αλλά δίχως αυτή δεν μπορεί να λειτουργήσει ένας κινητήρας. Βρίσκεται κάτω από το καπό του αυτοκινήτου μας και δεν την θυμόμαστε σχεδόν ποτέ, μέχρι να φτάσει η στιγμή που ο κινητήρας δεν θα τίθεται σε λειτουργία και να χρειαστεί να την αντικαταστήσουμε. 

Ο λόγος για την μπαταρία η οποία αποτελεί βασικό εξάρτημα για την εκκίνηση του αυτοκινήτου μας καθώς και για την λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων.

Το δυναμό είναι συνήθως συνδεδεμένο με τον κινητήρα μέσω ενός ιμάντα και περιστρέφεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Ένα μέρος από αυτό αποταμιεύεται στην μπαταρία ενώ το υπόλοιπο καταναλώνεται άμεσα από τα ηλεκτρικά συστήματα (φωτισμού, ανάφλεξης κ.α.) του αυτοκινήτου.

Μια συνηθισμένη μπαταρία αυτοκινήτου των 12V αποτελείται από έξι στοιχεία ηλεκτροδίων τα οποία είναι αντίστοιχα συνδεδεμένα με τον θετικό και τον αρνητικό πόλο. Μεταξύ των ηλεκτροδίων παρεμβάλλεται μία μονωτική μεμβράνη ώστε να μην προκληθεί βραχυκύκλωμα ενώ η όλη διάταξη είναι βυθισμένη σε υγρό που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Όταν μία νέα μπαταρία τροφοδοτηθεί για πρώτη φορά με συνεχές ρεύμα προκαλείται μία χημική αντίδραση, η γνωστή ηλεκτρόλυση, από την οποία εκλύεται ηλεκτρικό φορτίο. Η τάση που προκύπτει από κάθε στοιχείο είναι της τάξης των 2V. Κάθε φορά που γυρίζουμε τον διακόπτη για να τεθεί σε λειτουργία ο κινητήρας, η μπαταρία αποφορτίζεται καθώς τροφοδοτεί με ρεύμα την μίζα. Τότε, αρχίζει ξανά η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης ωσότου τα στοιχεία και ο ηλεκτρολύτης επανακτήσουν τις αρχικές τους ιδιότητες.

Η γήρανση και η μείωση της απόδοσής της μπαταρίας επέρχεται με τον χρόνο και δεν είναι δυνατό να αποτραπεί, για αυτό και αντικαθίσταται κάθε περίπου 3-4 χρόνια. Η λειτουργία της μπαταρίας, και συγκεκριμένα η χημική αντίδρασή της, επηρεάζεται άμεσα από την θερμοκρασία περιβάλλοντος και για αυτό όπου υπάρχει έντονη υγρασία χρησιμοποιούνται οι ξηρού τύπου. Οι συγκεκριμένες μπαταρίες δεν χρειάζονται γέμισμα με υγρά αλλά είναι ελαφρώς ακριβότερες από τις κλασικές. Επίσης, η απόδοση μιας μπαταρίας μπορεί να επηρεαστεί από το έντονο κρύο και τον χρόνο που μένει το αυτοκίνητό μας απενεργοποιημένο.

Font Awesome Free 5.2.0 by @fontawesome – https://fontawesome.com / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)

Στα παλιότερης τεχνολογίας αυτοκίνητα 

που έχουν παραμείνει εβδομάδες σταθμευμένα η μπαταρία χρειάζεται λίγο χρόνο για να «ξυπνήσει», κάτι που μπορεί να γίνει ενεργοποιώντας το ηχοσύστημα. Αν η ενδεικτική λυχνία φαίνεται αμυδρά τότε με ένα σετ καλωδίων (τα γνωστά «κροκοδειλάκια») ή ένα καλό… σπρώξιμο ο κινητήρας μπορεί να πάρει μπροστά. Στην περίπτωση που το λαμπάκι της μπαταρίας είναι σβηστό τότε απαιτείται η φόρτιση της τελευταίας σε κάποιο ηλεκτρολογείο αυτοκινήτων. 

Στα σύγχρονα μοντέλα 

σπανίως εκφορτίζεται η μπαταρία καθώς υπάρχει ειδικό σύστημα που την απομονώνει. Σε κάθε περίπτωση πάντως καλό θα είναι να μην επιχειρήσετε κάτι από μόνοι σας καθώς μπορεί να θέσετε σε κίνδυνο ζωτικής σημασίας συστήματα, όπως ο εγκέφαλος του κινητήρα λόγω απώλειας μνήμης κ.α.

Πρακτικός οδηγός και σύντομη σύνοψη 

 

Ο διακόπτης κατά κανόνα λειτουργεί με ένα ειδικό κλειδί και έχει συνήθως τρεις θέσεις:

α. Κλειστός, όπου δε λειτουργεί κανένα ηλεκτρικά εξάρτημα, εκτός από το φωτισμό του χώρου των επιβατών και του πορτ-μπαγκάζ, τα φώτα θέσης και τον αναπτήρα.

β. Οδήγηση, όπου λειτουργούν όλα ανεξαιρέτως τα ηλεκτρικά εξαρτήματα του αυτοκινήτου, εκτός από τη μίζα και

γ. Εκκίνηση, όπου λειτουργούν όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα και η μίζα. Η θέση αυτή είναι στιγμιαία με επαναφορά. Ο διακόπτης δηλ. παραμένει σε αυτή, μόνο όσο τον κρατήσουμε εκεί και επιστρέφει αμέσως στη θέση οδήγησης μόλις τον αφήσουμε. Η θέση αυτή χρησιμοποιείται ώσπου να πάρει μπρος ο κινητήρας του αυτοκινήτου.

Συνοπτικά οι επιμέρους διαχωρισμοί του ηλεκτρικού συστήματος του αυτοκινήτου είναι:

Το σύστημα φορτίσεως, που χρησιμεύει στον έλεγχο της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στους διάφορους καταναλωτές και στην φόρτιση της μπαταρίας.

Το σύστημα εκκίνησης, που χρησιμεύει για το ξεκίνημα της μηχανής που γίνεται με την βοήθεια ενός ηλεκτρικού κινητήρα (μίζα).

Το σύστημα ανάφλεξης, το οποίο έχουν μόνο οι βενζινοκινητήρες και έχει σαν σκοπό την δημιουργία σπινθήρα στο μπουζί όπου είναι απαραίτητος για την ανάφλεξη του καύσιμου μίγματος στους κυλίνδρους της μηχανής .

Το σύστημα φωτισμού και δεικτών οργάνων, που χρησιμεύει στον έλεγχο και ασφαλή οδική κυκλοφορία του οχήματος.

Η κόρνα και οι λοιπές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, οι οποίες ποικίλουν ανάλογα με το κάθε αυτοκίνητο και την διάθεση του κατόχου, όπως υαλοκαθαριστήρες, αναπτήρες, ηλεκτρικός μηχανισμός τζαμιών, κλιματιστικό συγκρότημα, εξαερισμός, όργανα ελέγχου (στροφόμετρο, δείκτης θερμοκρασίας, δείκτης ποσότητας καυσίμου, μετρητής πίεσης λαδιού, αμπερόμετρο, βολτόμετρο), αντικλεπτικά συστήματα, ραδιομαγνητόφωνα κ.τ.λ. 

ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ

Ορισμένα αρχαιολογικά ευρήματα, θέτουν την πρώτη κατασκευή μπαταρίας, μέχρι και 2.250 έτη πριν. Το 1938, ο Wilhelm Konig ανακάλυψε, στο Ιράκ, ένα πήλινο δοχείο, ύψους 13,50 cm, που περιείχε έναν χάλκινο κύλινδρο που περιέκλειε μια σιδερένια ράβδο και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι επρόκειτο για μια αρχαία μπαταρία

1749
Χρησιμοποιείται ο όρος μπαταρία από τον Benjamin Franklin κατά την διάρκεια πειραμάτων του με ένα ζευγάρι πυκνωτών συνδεδεμένων μεταξύ τους. Αρχικά ο όρος μπαταρία, είχε το γενικό νόημα της ομάδας δύο ή περισσοτέρων όμοιων αντικειμένων που λειτουργούν μαζί, όπως ακριβώς συμβαίνει σε μια συστοιχία πυροβολικού (battery). O όρος χρησιμοποιήθηκε για βολταϊκές συστοιχίες και παρόμοιες συσκευές στις οποίες πολλά ηλεκτροχημικά στοιχεία συνδέονταν μεταξύ τους με τον τρόπο των πυκνωτών του ου Franklin. Σήμερα ακόμη και ένα μόνο ηλεκτροχημικό στοιχείο, π.χ. ένα ξηρό στοιχείο, καλείται συνήθως μπαταρία.

1771 
ο Ιταλός Luigi Galvani παρατήρησε τα εξής: Εκτελώντας ένα πείραμα με νεκρούς βατράχους, είδε ότι αν έφερνε σε επαφή τα νεύρα των μηρών με δύο διαφορετικά μέταλλα (π.χ. σίδηρο και χαλκό) ο μυς έκανε μία σύσπαση. Ο Γκαλβάνι απέδωσε το φαινόμενο σε κάποιο είδος ηλεκτρισμού στο μυϊκό σύστημα.

1800
Ο Αλεσάντρο Βόλτα ήταν φυσικός ο οποίος έγινε κυρίως γνωστός για την ανακάλυψη του συσσωρευτή. Ο Βόλτα γνωρίζοντας τα πειράματα του Γκαλβάνι σκέφτηκε ότι οι συσπάσεις του βατράχου ίσως οφείλονταν περισσότερο στα «υγρά» στο σώμα του βατράχου και στα διαφορετικά μέταλλα που εισχωρούσαν στο μηρό του. Ύστερα από μια σειρά πειραμάτων κατασκεύασε τον πρώτο συσσωρευτή, από εναλλασσόμενες πλάκες ψευδαργύρου και χαλκού που είχαν ανάμεσά τους ύφασμα εμποτισμένο σε αλατόνερο.

1912
Η εταιρεία Chevrolet τοποθέτησε για πρώτη φορά σε αυτοκίνητο, μπαταρία μολύβδου, για την εκκίνηση του με χρήση μίζας.

1914
Τοποθετείται η πρώτη μπαταρία εκκίνησης σε αυτοκίνητο.

1947
Εμφανίστηκε η μπαταρία νικελίου-καδμίου όπως την ξέρουμε σήμερα, όταν ο George Neumann κατάφερε το αεροστεγές κλείσιμο του στοιχείου της μπαταρίας. Για πολλά χρόνια η μπαταρία νικελίου-καδμίου ήταν η μόνη επαναφορτιζόμενη μπαταρία για φορητές εφαρμογές.

1948
Μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, η Δ. Γερμανία κυριάρχησε στην παραγωγή μικρών μπαταριών αποθήκευσης, προμηθεύοντας το 80% της παγκόσμιας παραγωγής. Τον έλεγχο της θυγατρικής της VARTA στο Ανατολικό Βερολίνο, ανέλαβε η Σοβιετική Ένωση και η εταιρεία μετονομάστηκε σε BAE Batterien.

1966
Η εταιρεία Delco, παρουσίασε την μπαταρία Energizer, ήταν η πρώτη μπαταρία με πλαστικό και ενιαίο κάλυμμα (καπάκι), κολλημένο στο πάνω μέρος σε κενό αέρος (vacuum sealed Energizer). Επίσης στο νέο σχεδιασμό, περιλαμβανόταν κατασκευή wall cell connectors και υδρόμετρο Delco Eye (ματάκι), σε ένα από τα 6 στοιχεία, για την επίβλεψη της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας.

Claus Ableiter / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

1985 
Μία ομάδα ερευνητών υπό τον Akira Yoshino, κατασκευάζει το πρώτο πρότυπο της μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li-ion), μία επαναφορτιζόμενη και περισσότερο σταθερή εκδοχή της μπαταρίας λιθίου. Ιδρύεται στη Ν. Κορέα η εταιρεία Delkor Co. Ltd, ως κοινοπραξία με την GM, τη μεγαλύτερη εταιρεία αυτοκινήτων στις ΗΠΑ. Η εταιρεία, χρησιμοποιώντας τα σήματα Delkor και Royal, παρέμεινε έως και σήμερα, στις πρώτες θέσεις παγκοσμίως, ως ένας κατασκευαστής μπαταριών κορυφαίας ποιότητας για αυτοκίνητα, μοτοσυκλέτες, βιομηχανικά και γεωργικά μηχανήματα, βαθιάς εκφόρτισης και Marine RV.

1997
Kυκλοφόρησαν οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου με ηλεκτρολύτες από πολυμερή.

2007
H Toshiba παρουσιάζει την πρώτη μπαταρία ιόντων Λιθίου γιά εφαρμογή στα αυτοκίνητα.

2010
Η πρώτη βιομηχανοποιημένης παραγωγής μπαταρία αυτοκινήτου ιόντων Λιθίου για την Porsche 911 GT3 RS.                      

Επιμέλεια: SOFERINA TEAM (Από πηγές στο διαδίκτυο)