На протяжении всей истории автомобиля напряжение штатной аккумуляторной батареи неуклонно росло: 4, 6, 12, 24, 36 и, наконец, 48 вольт. При этом и понятие «массы» тоже не было постоянным: в США взялись замыкать на массу клемму «+», а в Европе — «–». С чем это связано и почему величина напряжения батареи — всегда четное число? Попробуем разобраться.
Прогресс — явление бесконтрольное. В XIX веке в области электротехники наизобретали столько, что пришлось даже созывать международные конгрессы, дабы хоть как-то упорядочить все это. Напоминает сегодняшнюю ситуацию с попыткой принять единый стандарт для зарядных устройств автомобилей, не так ли? На втором таком конгрессе электриков в 1893 году, в Чикаго (на первом, в 1881 году, в Париже ни о чем не договорились), ученые умы приняли единые стандарты и наименования электрических величин. Им решили присвоить имена известных естествоиспытателей и ученых, чья деятельность была связана с электротехникой. И хотя электричество добывали главным образом в результате химических реакций, на этом конгрессе физики победили химиков, и большинство единиц назвали в честь именно физиков и механиков: Алессандра Вольта, Андрэ Ампера, Георга Симона Ома, Джеймса Ватта, Шарля Кулона, Джеймса Прескотта Джоуля, Майкла Фарадея и других. Вольтом стала единица измерения электродвижущей силы (ЭДС). До этого ЭДС измерялась 12‑ю разными единицами! Единый международный вольт подвел под этим безобразием черту. Надо заметить, что вольтом назвали также и единицу напряжения. Что само по себе довольно редкое явление в физике. И определений для вольта тоже два. Ведь ЭДС характеризует перемещение положительного заряда внутри источника тока от катода к аноду, тогда как по внешней цепи положительный заряд бежит в противоположном направлении, от анода к катоду, от плюса к минусу.
Отсутствие стойких к вибрации, ударам и воздействию кислоты пластиковых корпусов серьезно затрудняло распространение батарей. Неопрен для корпусов начали применять в 1931 году, стекловолокно — в 1932‑м, поликарбонат — в 1953‑м.
Из уважения к светилам физической науки, приведем оба определения вольта. Разность потенциалов между полюсами равняется 1 вольту, если для перемещения между ними заряда величиной 1 кулон следует совершить работу в 1 джоуль. Это первое. А второе, 1 вольт равен электрическому напряжению, при котором на участке электрической цепи проходит постоянный ток силой 1 ампер и затрачивается мощность 1 ватт.
В трехколесной самодвижущейся коляске Карла Бенца справа от двигателя в деревянном ящике — хрупкий и капризный аккумулятор.
Ну, и еще немного физики перед тем, как снова углубиться в историю. Когда редактор портала «5 колесо» предложил написать о том, почему сегодня автомобильную электрику переводят на 48 В, я вдруг обнаружил, что не знаю, отчего свинцово-кислотные аккумуляторные батареи имеют именно такое напряжение: 6, 12, 24, а теперь вот и 48… То есть, почему у вольтажа кратный шаг, понятно — он достигается увеличением числа «банок» в аккумуляторной батарее либо последовательным подключением другой батареи. Но почему изначально именно 2 вольта, а не 1,7 или, допустим, не 2,2?
Benz Parsifal 1903 года обходился без аккумуляторной батареи — этой хрупкой и ненадежной системы зажигания. Магнето вполне справлялось.
Вопрос этот, судя по всему, успел до меня поставить в тупик и авторов известных автомобильных учебников: Бодри де Сонье, Кузнецова, Грибова, Чудакова, Зимелева, Бюссиена, Анохина… Многие из них предлагают просто принять за данность, что батареи бывают 6‑ либо 12‑вольтовыми, либо какими-то другими. Зимелев так прямо пишет, что «физико-химические процессы, происходящие в кислотном аккумуляторе, весьма сложны и в полной мере до настоящего времени не исследованы». И это — в 1946 году!
Рекламировать автомобильные аккумуляторные батареи в России начали только в конце 1915 года. Интересно другое: октябрьский переворот и последующие события сильно ударили по отрасли, о чем можно судить по потреблению свинца: оно упало вдвое, с 1200 до 600 тонн в 1924 году. Для сравнения, Германия перерабатывала 15–20 тыс. т, СаСШ — 35–40 тыс. т. В период НЭПа производство аккумуляторов в СССР подхватил Аккумуляторный трест, куда входили завод «Ленинская искра» (бывший «Тюдор», основанный еще в 1892 году) и «Имени лейтенанта Шмидта» (бывший ТЭМ, созданный в 1915 году).
Автомобилю на тот момент — 60 лет, он успел разойтись по всему свету миллионными тиражами, послужить в двух Мировых войнах, установить массу рекордов, прочно войти в культуру и общественную жизнь.
Хорошо, хоть с типом батареи определились (хотя помимо свинцово-кислотной в автомобилях все еще нередко использовали щелочную железно-никелевую). А сколько вариантов обратимых пар (пластин-полюсов, теряющих и накапливающих положительные и отрицательные ионы — анионы и катионы) было напридумано до этого!
Hudson Super Six, модель 1921 года. Детройтская Hudson Motor Car Company выступала в лидерах по использованию аккумуляторных батарей. В 1934 году она сменила минусовую «массу» на плюсовую, а в 1956 году вновь вернулась к минусовой.
Из всех прочих именно пара пластин, изготовленных из диоксида либо перекиси свинца (анод) и губчатого свинца (катод) и погруженных в слабый раствор серной кислоты (электролит) давала самое высокое напряжение и отличалась достаточной емкостью. Однако почти все ранние аккумуляторы были весьма ненадежны, что едва не привело к полному отказу от их использования. Так, на Benz-Patentwagen 1885 года, который принято считать первым в мире самодвижущимся экипажем с двигателем внутреннего сгорания, аккумулятор был, а уже в 1902 году французский инженер Мариус Барбару сконструировал для Карла Бенца новое семейство автомобилей «Парсифаль» классической компоновки, и аккумулятора у них не было вовсе! Зажигание обеспечивал «цунд-аппарат» Роберта Боша — магнето. В этом новомодном тогда механическом источнике тока использовался принцип электромагнитной индукции — возникновения электрического тока в проводнике, помещенном в магнитное поле с переменным потоком либо в проводнике, движущемся сквозь магнитное поле. Тогда еще не умели заряжать аккумуляторы на ходу — их приходилось просто менять. А тут — крутанул заводную рукоятку, магнето заискрило, мотор запустился. Впрочем, получило также распространение дублирующее зажигание, от аккумулятора через индукционную катушку и от магнето — это повышало надежность работы мотора.
Шасси ЗиС-5, 1934 год. Судя по прерывателю-распределителю, перед нами образец с батарейным зажиганием.
Кто-то спросит: а как же освещение? Первые автомобильные приборы освещения тока не потребляли. Сперва это были масляные и даже свечные фонари, затем — газовые, сжигавшие ацетилен. На подножке автомобиля устанавливали компактный ацетиленовый генератор — вполне надежный, проверенный в горных выработках. То есть, всех потребителей у аккумулятора и была одна лишь индукционная катушка Румкорфа, обеспечивавшая высоковольтную искру зажигания. И, кстати, горели ацетиленовые фары ярче тогдашних электрических: примерно, как светят светодиодные фонари. Известностью пользовалась марка Prest-O-Lite из Индианаполиса. Однако в начале 1910‑х годов она переключилась на выпуск аккумуляторных батарей.
Установка аккумуляторной батареи на автомобиль Горьковского автозавода, 1932 год.
Производство батарей на заводе Bosch в Герлингене, земля Баден-Вюртемберг, 1936 г.
Батареи еще не назывались стартерными, поскольку Чарльз Кеттеринг из Dayton Engineering Laboratories COmpany (Delco) изобретет электростартер только в 1911 году. Появление электростартера «потянуло» за собой установку генератора (тогда его еще называли динамо-машиной) и вернуло батарею. Хотя еще долго именно магнето, а не катушка зажигания и прерыватель-распределитель оставались источником высоковольтного напряжения для свечей зажигания. Например, довоенные грузовики ЗиС выпускались как с зажиганием от катушки, так и с зажиганием от магнето с неподвижными обмотками — его конструкторы московского «Электрозавода» в 1932 году скопировали с итальянского Scintilla. Целых четыре варианта схемы электрооборудования было у ЗиС-5, настоящая головная боль ремонтникам!
Устройство типичной аккумуляторной батареи. В таком виде она просуществовала полвека.
Автомобиль вступил в период эволюционного развития, когда все принципиальные элементы его устройства заняли свои места и лишь продолжали год от года совершенствоваться.
Назрела необходимость стандартизировать батареи. В 1918 году американский Hudson стал первой маркой, начавшей устанавливать типовую батарею — этот тип вскоре обозначат как «батарею группы 2». За стандартизацию взялся основанный 21 марта 1924 года в Вашингтоне Battery Council International, Международный совет по аккумуляторным батареям. Кстати, к 100‑летнему юбилею в BCI подсчитали, что за все годы существования BCI в США свинцово-кислотными батареями был оснащен миллиард автомобилей! Красивая цифра к круглому юбилею! Батареи группы 1 и группы 2 будут устанавливаться на 80 с лишним процентов американских автомобилей вплоть до того момента, когда на смену 6‑вольтовым придут 12‑вольтовые аккумуляторы. В массовом порядке произойдет это только в середине 1950‑х годов. Впрочем, и когда уже 12‑вольтовые батареи стали нормой (более того, нормализовали даже их номинальную емкость: 50, 62,5, 75, 90, 122, 162 А·ч.), отдельные продолжали запитываться от 6 вольт. Среди «долгожителей» — Volkswagen 1200 (до 1974 года) и Trabant P601 (до 1984 года).
Лендлизовская амфибия Ford GPA в Петропавловске-Камчатском на фоне паротурбохода «Советский Союз» (бывш. германский Hansa), 1950‑е годы. В отличие от базового «джипа» Ford GP-W, амфибия имела 12‑вольтовую батарею. Правда, вдвое меньшей емкости, 58 А·ч против 116‑ти.
Переход с 6‑ти на 12 вольт объяснялся необходимостью обеспечить растущее потребление автомобилем электроэнергии. Имелась у такого перехода и побочная выгода: проводка от батареи к стартеру 12‑вольтовой батареи легче и дешевле, чем у 6‑вольтовой. И сегодня, когда осуществляется глобальный переход от 12 к 48 вольтам, снова заговорили об уменьшении толщины проводов и снижению веса всей проводки. Разумеется, не в ущерб надежности.
6‑вольтовая стартерная батарея емкостью 65 ампер-час из трех аккумуляторов с баком из эбонита 3‑СТЭ-65 производства Подольского аккумуляторного завода для «Москвича-400» и «Москвича-401». В 1949 году такой аккумулятор стоил 227 рублей. Подольский завод до закрытия в 2009‑м успел выпустить более 90 млн батарей разных типов.
Загадкой остается, зачем с кузовом (то есть, с «массой») соединяли то отрицательную клемму аккумулятора, то положительную, то снова отрицательную. Полярность определяет направление электронов в замкнутой электрической цепи при разряжении батареи — от плюса к минусу. Полярность обязана быть одинаковой у всех элементов, включенных в электрическую цепь. «Масса» выполняет в цепи функцию обратной линии от потребителей к батарее (в автомобилях с углепластиковыми монококами приходится тянуть проводку). В далеком прошлом тоже пользовались проводом, пока не сообразили, что стальная рама (или кузов) обладают электропроводностью. Почему после этого в США взялись замыкать на массу клемму «+», а в Европе — «–», внятных объяснений нет. Автомобильные учебники (к коим опять пришлось обращаться), предлагают принимать это, как данность. Opel Kadett K38 имел минус на «массе», а когда мы превращали эту малолитражку в «Москвич-400», то на «массу» замкнули плюс — по традиции, заведенной с покупки фордовского завода. Американские армейские машины решили «минусить» с 1941 года, но смена полярности проводки у гражданских легковых автомобилей в США произошла только в 1956‑м. Мы последовали американскому примеру, прописав требование соединять с корпусом отрицательную клемму в 1957 году в ГОСТ 3940‑57. Первыми автомобилями, чьи аккумуляторы соединялись минусом на «массу», стали ГАЗ-13 «Чайка» и ЗиЛ-111.
Willard — пионер стандартизации аккумуляторных батарей. «Наша репутация надежности началась 100 миллионов батарей назад», — гласит юбилейный рекламный слоган 1952 года.
Действительно, а что выгадывали? Версий на сей счет выдвигается несколько. Положительный импульс высокого напряжения дает более сильную искру в свече зажигания. Говорят также, что «минус на массу» снижает помехи от электрооборудования. И что улучшается коррозионная стойкость кузова (впрочем, в Интернете легко найти и обратное утверждение: коррозия развивается быстрее, и это — чуть ли не заговор производителей против покупателей). Убедительного объяснения перемены полярности найти не удалось, а своих знаний в этой области, увы, не хватает.
Volkswagen-«жук» выпускали с 6‑вольтовым электрооборудованием вплоть до сворачивания производства в Вольфсбурге 1 июля 1974 года. Эту модель, VW-1200, еще называли Sparkäfer, «экономный жук» или «жук для бедных». Впрочем, судя по количеству пробок в батарее, изображена 12‑вольтовая модификация VW-1300.
Сегодня 12‑вольтовое электрооборудование достигло предела своих возможностей. Оно не в состоянии обеспечить работу таких потребителей, как турбонагнетатель, водяной насос, стартер-генератор, электрические руль и тормоза, активная подвеска, «продвинутый» полный привод. И повторяется картина начала ХХ века, когда в автомобиле задействованы одновременно две электрические системы. Тогда это было дублирующее зажигание (от магнето и от батареи), сегодня — 12‑вольтовая «подсеть», обслуживающая маломощные потребители: светотехнику, приборы, развлекательно-коммуникационную систему, электронных помощников водителя, и основная, 48‑вольтовая сеть, которая обеспечивает работу двигателя, трансмиссии, шасси и HVAC (отопления, вентиляции и кондиционирования). Лидером исторического перехода с 12 на 48 вольт стала группа Volkswagen: в 2016 году в продажу поступил кроссовер Bentley Bentayga с электромеханическими стабилизаторами поперечной устойчивости Bentley Ride Control, разработанные фирмой Schaeffler, следом Audi SQ7 с таким же стабилизатором (у машин общая платформа). Их исполнительные электромоторы запитывались током напряжения 48 В. При этом основная электрическая система автомобиля оставалась 12‑вольтовой. К ней добавили преобразователь 12/48 В и пару суперконденсаторов (или, как у Audi SQ7, литий-ионная батарея в багажнике; у этой модели электромотор 48 В приводил в действие также нагнетатель двигателя). В современных Audi уже 48‑вольтовая система является основной, использует литий-ионную батарею (в багажнике) и преобразователь на 12 В для вспомогательной сети.
Кроссовер Bentley Bentayga — первый полноприводный легковой автомобиль с частично-48‑вольтовой электрической сетью, 2016 год.
В тени этих достижений многими забылось, что на том же Франкфуртском автосалоне в сентябре 2015 года, где дебютировала Bentayga, фирма BMW представила новую «семерку» G11 с аналогичным узлом от Scheffler — устройство назвали Dynamic Drive Control. И совсем уже в тени оказалась подобная конструкция стабилизатора японской фирмы Aisin Seiki, внедренная в 2005 году на Lexus GS430 (GRS190). Правда, там электромотор работа под напряжением 42 В. А 48 вольт — это величина, о которой примерно в те же годы договорились между собой основные европейские автомобильные фирмы.
Активный стабилизатор поперечной устойчивости Schaeffler Group с 48‑вольтовым приводом. В годы Второй мировой войны фирма Schaeffler делала тканые покрытия из человеческих волос, поступавших из Освенцима.
Концепция автомобиля будущего с широким использованием «мехатроники» — механических узлов с электроприводом и электронным управлением.
Ужесточение экологических требований к автомобилям с ДВС (американские CAFE 2025 года, европейские WLTP и RDE) и развитие гибридных силовых установок сделало переход на электросеть 48 В необратимым. Выше некуда? Тут уже встает вопрос безопасности — люди с кардиостимуляторами меня поймут. Сегодня на Западе говорят о безопасном напряжении постоянного тока в 60 В. В России безопасное напряжение прикосновения регламентирует ГОСТ 12.1.038‑2024. Постоянный ток не столь опасен для здоровья, как переменный. Учитывается и продолжительность — считается, что секунду и дольше безвредно воздействие током напряжением 40 В и силой 15 мА. Однако тут открывается новая, обширная и сложная область, специалистом в которой я не являюсь.
