Способы зарядки аккумулятора

Способы зарядки аккумулятора

В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающей от зарядного устройства, которая запасается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других – ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора. Химические реакции, которые протекают в NiMH аккумуляторе при его зарядке, являются экзотермическими, в отличие от NiCd аккумуляторов, где они эндотермические. Это означает, что КПД зарядки NiMH аккумуляторов ниже, и они более горячие в процессе зарядки. Это требует более тщательного контроля процесса зарядки.
Скорость зарядки аккумулятора зависит от величины зарядного тока. Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C для аккумулятора емкостью 2500 мА/ч равен 2500 мА. По скорости различают несколько видов зарядки: капельная зарядка (trickle charge), быстрая зарядка (quick charge) и ускоренная зарядка (fast charge). Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1C, быстрая зарядка – током порядка 0.3C, ускоренная зарядка – током 0.5…1.0C. На самом деле принципиальных отличий между быстрой и ускоренной зарядкой нет, они отличаются лишь предпочтительными методами определения конца зарядки. Поэтому есть смысл разделять только два вида зарядки: капельная и быстрая. К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током, большим 0.1C. Принципиальным отличием капельной и быстрой зарядки является то, что при быстрой зарядке зарядное устройство должно автоматически заканчивать процесс, пользуясь какими-то критериями. При капельной зарядке окончание процесса можно не детектировать, а аккумулятор может находится в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго.

Быстрая зарядка
Большинство производителей NiMH аккумуляторов приводят характеристики своих аккумуляторов для случая быстрой зарядки током 1C. Хотя иногда можно встретить рекомендации не превышать ток 0.75C. Эти рекомендации связаны с опасностью открывания вентиляционных отверстий аккумулятора при быстрой зарядке в условиях повышенной температуры окружающей среды. «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости быстрого заряда. Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8 В. КПД процесса быстрой зарядки очень высок (порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение. И хотя для современных аккумуляторов взрыва, скорее всего, не последует, просто откроются вентиляционные отверстия и часть содержимого аккумулятора будет безвозвратно утрачена. Это точно не пойдет на пользу аккумулятору, не говоря уже об изменении внутренней структуры электродов под воздействием высокой температуры. Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора очень важно зарядку вовремя прекратить. К счастью, в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии, по которым зарядное устройство может это сделать.

Алгоритм работы быстрого зарядного устройства состоит из нескольких фаз:
1. Определение наличия аккумулятора.
2. Квалификация аккумулятора (qualification).
3. Пред-зарядка (pre-charge).
4. Переход к быстрой зарядке (ramp).
5. Быстрая зарядка (fast charge).
6. Дозарядка (top-off charge).
7. Поддерживающая зарядка (maintenance charge).

Капельная зарядка (trickle charge)
Вопреки существующему мнению, капельная зарядка не способствует долгой жизни аккумуляторов. Дело в том, что при капельной зарядке зарядный ток не отключают даже после того, как аккумулятор полностью зарядился. Именно поэтому ток выбирается малым. Считается, что даже если вся энергия, сообщаемая аккумулятору, будет превращаться в тепло, при столь малом токе он не сможет существенно нагреться. Для NiMH аккумуляторов, которые значительно хуже реагируют на перезарядку, чем NiCd, ток капельного заряда рекомендуется не более 0.05C. Для аккумуляторов большей емкости значение тока капельной зарядки больше. Это означает, что в зарядном устройстве, предназначенном для зарядки аккумуляторов большой емкости, аккумуляторы малой емкости будут сильно нагреваться, что сокращает срок их службы. Снижение тока капельной зарядки ведет к увеличению длительности зарядки сверх разумного. Аккумулятор большой емкости, установленный в зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости, может вообще никогда не достичь своего полного заряда, так как с процессом заряда будет конкурировать саморазряд. Долго находясь в таких условиях, аккумуляторы начинают деградировать, теряя емкость.
При всем желании, надежно детектировать конец капельной зарядки невозможно. На низких зарядных токах профиль напряжения плоский, практически нет характерного максимума в конце зарядки. Температура также растет плавно. Единственным методом является ограничение процесса зарядки по времени. Однако при этом нужно знать не только точную емкость аккумулятора (которая зависит от возраста и состояния аккумулятора), но и величину его начального заряда. Исключить влияние начального заряда можно только одним способом – полностью разрядить аккумулятор перед зарядкой. А это еще больше удлиняет процесс зарядки и укорачивает жизнь аккумулятора, которая определяется количеством
циклов заряд-разряда. Еще одной помехой при вычислении длительности капельной зарядки является низкий КПД этого процесса. Для капельной зарядки КПД не превышает 75%, более того, КПД зависит от многих факторов, в том числе от температуры и состояния аккумулятора. Единственным преимуществом капельной зарядки является простота реализации (без контроля конца зарядки). В то же время производители NiMH аккумуляторов не рекомендуют пользоваться капельной зарядкой. И только в самое последнее время производители аккумуляторов специально отмечают, что современные NiMH аккумуляторы не деградируют под воздействием длительной капельной зарядки.

Фаза определения наличия аккумулятора
В этой фазе обычно проверяется напряжение на выводах аккумулятора при включенном генераторе зарядного тока примерно 0.1C. Если при этом напряжение оказывается выше 1.8 В, это значит, что аккумулятор отсутствует или поврежден. В любом случае зарядка начинаться не должна. Как только будет обнаружено меньшее напряжение, делается вывод, что аккумулятор подключен и можно начинать зарядку.
Во всех других фазах зарядки на фоне основных действий должна производится проверка наличия аккумулятора. Эта необходимость связана с тем, что аккумулятор в любой момент может быть вынут из зарядного устройства. При этом из любой фазы зарядное устройство должно перейти на первую фазу – определение наличия аккумулятора.

Фаза квалификации аккумулятора
Зарядка начинается с фазы квалификации аккумулятора. Эта фаза нужна для грубой оценки начального заряда аккумулятора. Если напряжение на аккумуляторе меньше 0.8 В, то быструю зарядку производить нельзя. В этом случае требуется дополнительная фаза пред-
зарядки. Если же напряжение больше этой величины, то фаза пред-зарядки пропускается. На практике аккумуляторы никогда не разряжают ниже 1.0 В. Поэтому фаза пред-зарядки реально никогда не используется, разве что при зарядке глубоко разряженных или долго не бывших в употреблении аккумуляторов.

Фаза пред-зарядки
Эта фаза предназначена для начальной зарядки глубоко разряженных аккумуляторов. Значение тока пред-зарядки выбирается в пределах 0.1…0.3C. Фаза пред-зарядки должна быть ограничена во времени (например, 30 мин). Более длительная пред-зарядка смысла не имеет, так как у исправного аккумулятора напряжение должно довольно быстро достигнуть порогового значения 0.8 В. Если же напряжение не растет, значит аккумулятор поврежден и процесс зарядки нужно прервать с индикацией ошибки.
Во всех длительных фазах зарядки необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Для NiMH аккумуляторов максимально допустимой во время зарядки считают температуру 50°C. Как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза перехода к быстрой зарядке
Если напряжение на аккумуляторе выше 0.8 В, то можно начинать быструю зарядку. Сразу включать большой зарядный ток не рекомендуется. Ток нужно плавно повышать в течение 2…4 мин, пока он не достигнет заданного тока быстрой зарядки.
В этой фазе необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза быстрой зарядки

Фаза дозарядки
В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.1…0.3C. При токе дозарядки 0.1C производители рекомендуют длительность дозарядки 30 мин. Более длительная дозарядка приводит к перезаряду, что увеличивает емкость аккумулятора на 5…6%, но сокращает количество циклов заряд-разряда на 10…20%. Еще одним положительным эффектом дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов в батарее. Те аккумуляторы, которые полностью заряжены, будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла, в то время как другие будут заряжаться. Если фаза дозарядки идет непосредственно после фазы быстрой зарядки, полезно в течение нескольких минут остудить аккумуляторы. С повышением температуры способность аккумулятора принимать заряд существенно падает. Например, при температуре 45°C аккумулятор способен принять только 75% заряда. Поэтому дозарядка, проведенная при комнатной температуре, позволяет получить более полный заряд аккумулятора.

Поддерживающая зарядка Капельная подзарядка
Зарядные устройства, предназначенные для зарядки NiCd аккумуляторов по окончанию процесса зарядки обычно переходят в режим капельного заряда, чтобы поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии. Это приводит к тому, что температура аккумулятора всегда остается повышенной, что уменьшает срок службы аккумулятора. Для NiMH аккумуляторов долго находится в состоянии капельной зарядки нежелательно, так как эти аккумуляторы плохо переносят перезаряд. По крайней мере, ток поддерживающей зарядки должен быть очень низким, чтобы только компенсировать саморазряд. Для NiMH аккумуляторов саморазряд составляет до 15% емкости в первые 24 часа, затем саморазряд снижается и составляет 10…15% в месяц. Для того, чтобы скомпенсировать саморазряд, достаточен средний ток менее 0.005C. Некоторые зарядные устройства включают ток поддерживающей зарядки раз в несколько часов, остальное время аккумулятор отключен. Величина саморазряда сильно зависит от температуры, поэтому еще лучше сделать поддерживающий заряд адаптивным: небольшой ток зарядки включается лишь тогда, когда обнаруживается заданное уменьшение напряжения на аккумуляторе.
В принципе, от фазы поддерживающей зарядки можно вообще отказаться, но если между зарядкой и использованием аккумуляторов проходит время, то непосредственно перед использованием аккумуляторы нужно подзарядить для компенсации саморазряда. Хотя более удобно, если зарядное устройство постоянно поддерживает аккумуляторы в состоянии полной зарядки.

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.