Меню

Разряд аккумулятора регулятором напряжения

Процесс заряда аккумуляторов различных типов

Заряд и разряд аккумулятора являются основными процессами, которые идут при его эксплуатации. Во время заряда аккумуляторная батарея восполняет потерянную ёмкость и по окончании процесса вновь может эксплуатироваться. В этом материале речь пойдёт о заряде аккумуляторов основных типов: свинцово-кислотных, щелочных и литиевых. Будут рассмотрены процессы происходящие при зарядке и режимы.

Заряд аккумуляторов различных типов

Свинцово-кислотные АКБ

Самой распространённой сферой применения свинцово-кислотных аккумуляторов, являются стартерные батареи в транспортных средствах. Они применяются для запуска двигателя, а также поддержки генератора при сильной нагрузке на бортовую сеть автомобиля. В штатном режиме работы свинцово-кислотные АКБ не испытывают глубокого разряда. Заряд батареи после пуска осуществляется током, вырабатываемым генератором. Кроме того, рекомендуется периодически выполнять зарядку стартерного аккумулятора от зарядного устройства. Какие реакции при этом происходят?

Происходящие процессы

В электрохимической реакции внутри свинцово-кислотного аккумулятора участвуют материалы положительного и отрицательного электрода, а также электролит. Активная масса положительного электрода представляет собой диоксид свинца (PbO 2). В случае с отрицательным электродом – это порошок свинца (Pb). При заряде свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на электродах протекают следующие реакции. Положительный электрод PbSO 4 + H 2O -> PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e — Отрицательный электрод PbSO 4 -> Pb + SO 4 2- — 2e — Общий процесс в электрохимической системе описывается уравнением. 2PbSO 4 + 2H 2O -> Pb + 2H 2SO 4 + PbO 2 В процессе заряда из электролита расходуется вода и постепенно увеличивается его плотность. Плотность электролита полностью заряженного аккумулятора находится около 1,27 гр/см 3 . Ниже можно посмотреть таблицу степени заряженности АКБ. [table Сульфат свинца растворяется до определённого значения, а потом начинается электролиз воды. Он представляет собой разложение воды на водород и кислород. В результате наблюдается газовыделение, которое часто называют кипением электролита при перезаряде. Основной проблемой в процессе заряда свинцово-кислотного аккумулятора является неполное растворение сульфата свинца (PbSO 4). Это вещество забивает поры активной массы, в результате чего снижается площадь взаимодействия электролита с материалом электрода. Из-за этого происходит постепенная потеря ёмкости.

Режимы заряда

Если не считать ускоренной зарядки, то есть две основные схемы заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. При постоянном напряжении и постоянном токе. Сегодня в продаже можно найти много зарядных устройств (ЗУ), имеющих возможность использования этих режимов, а также их комбинаций. Наиболее распространённой является схема заряда при постоянном напряжении. Смысл здесь в том, что на терминалы аккумулятора подаётся постоянное напряжение. Заряд обеспечивается благодаря выравниванию напряжений на выводах ЗУ. Полнота заряда в этом случае зависит от напряжения, подаваемого на только выводы АКБ. То есть если заряжать аккумуляторную батарею одинаковое время напряжением 14,4, 15 и 16 вольт, то наиболее полный заряд достигается при 16 В.

В зарядных устройствах подобный режим чаще всего подразумевает подачу напряжения около 16 вольт на токовыводы, а ток уменьшается в процессе зарядки. Изначально величина тока не должна превышать 10% от номинальной ёмкости аккумулятора. По мере роста внутреннего сопротивления АКБ ток снижается до значений, соизмеримых с током саморазряда. Зарядное устройство фиксирует это и отключает процесс. К плюсам этого варианта следует отнести полную автоматизацию. Поставили аккумулятор на заряд и забыли.

Такая схема зарядки требует постоянного контроля и корректировки подаваемого тока. Этапы разделяются по уровню напряжения на выводах аккумулятора. Обычно процесс выглядит следующим образом.

  • На первом этапе сила тока устанавливается в размере 10% от номинальной ёмкости АКБ. После этого проводится зарядка до постоянного напряжения 14,4 вольта.
  • Второй этап начинается с напряжения 14,4 вольта. Это значение является тем уровнем, на котором начинается разложение воды из электролита на кислород и водород. У аккумуляторов, выпускаемых по технологии Ca-Ca, это значение напряжения выше. Чтобы минимизировать выделение газов, сила тока снижается в два раза. То есть если на первом этапе она была 5 ампер, то здесь нужно уменьшить до 2,5 А.
  • Третий этап стартует с напряжения 15 вольт. Сила тока уменьшается два раза по сравнению со вторым этапом. Далее через определённые промежутки времени (1─2 часа) проверяется напряжение на терминалах. Как только оно перестаёт меняться, так можно считать процесс оконченным. На последнем этапе будет идти активное выделение газов. По этой причине аккумуляторная батарея должна находиться в хорошо проветриваемом помещении, а рядом не должно быть искр и открытого пламени.
Читайте также:  Arduino мониторинг напряжения сети

[soc2] Варианты постоянным током неудобен тем, что требует контроля со стороны человека на протяжении всего процесса. Поэтому он используется в тех случаях, когда аккумулятор испытал глубокий разряд. При этом на начальной стадии (до того, как напряжение АКБ не достигнет 12 вольт) ток подаётся импульсами. То есть, несколько секунд он подаётся на выводы аккумулятора, а затем отключается. Более подробно о разных режимах заряда свинцово-кислотных аккумуляторов можно прочитать в этом материале. Выше был упомянут метод ускоренной зарядки аккумуляторной батареи. Подобный режим есть во многих зарядных устройствах. Он отличается лишь тем, что на аккумулятор подаётся увеличенный до 30% (по сравнению со штатным значением 0,1*С) ток. Это используется в тех случаях, когда аккумулятору нужно быстро отдать заряд, который необходим для запуска двигателя. Увеличенная сила тока при зарядке отрицательно сказывается на состоянии электродов и активной массы. Поэтому без необходимости этот режим лучше не использовать. [banner1]

Щелочные аккумуляторные батареи

Щелочные аккумуляторы используются в качестве тяговых. Их можно встретить в различной складской технике, железнодорожном транспорте, электроинструменте и других сферах применения, где они работают в режиме циклирования.

Происходящие процессы

Наиболее распространёнными электрохимическими системами щелочных аккумуляторов являются никель─кадмиевые и никель─металлогидридные. Рассмотрим процесс заряда на их примере. Оба типа батарей имеют положительный электрод с активной массой из гидроокиси никеля (NiOOH). В ней присутствует графит и окись бария. Окись бария продлевает срок службы АКБ, а графит увеличивает электропроводность активной массы.

[banner2] Электролитом чаще всего является 20%-й водный раствор едкого калия (КОН). Для увеличения срока службы в него является небольшое количество моногидрата лития (LiOH). Ниже представлены реакции, происходящие в щелочном аккумуляторе при заряде. Система Ni-MH 2Ni(OH) 2 + 2KOH + Fe(OH) 2 -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Fe Система Ni-Cd 2Ni(OH) 2 + 2KOH + Cd(OH) 2 -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Cd В процессе разряда активная масса на положительном электроде окисляется и 2Ni(OH) 2 превращается в гидроокись никеля. Одновременно с этим в активной массе отрицательного электрода происходит восстановление, в результате которого образуется железо и кадмий. [soc3]

Режимы заряда

Если рассматривать заряд стандартного аккумуляторного элемента Ni-Cd, то рекомендуемый ток составляет 10─20% от номинальной ёмкости. Во время зарядки может доходить до 16 часов. Допустимый диапазон температур для зарядки щелочных аккумуляторов составляет от 0 до 50 по Цельсию. Наиболее эффективно процесс заряда происходит в диапазоне температур от 10 до 40 градусов Цельсия. На практике конструкция щелочных аккумуляторов позволяет заряжать их током не менее 30% от номинальной ёмкости. Процесс заряда в этом случае занимает несколько часов. При заряде щелочных аккумуляторов есть один важный момент. Особенно это актуально для никель─кадмиевых батарей. Они имеют такую проблему, как «эффект памяти». Поэтому перед зарядом эти АКБ требуется разрядить. Подобным функционалом располагают многие зарядные устройства, предназначенные для работы со щелочными аккумуляторами.

Различных схем заряда для щелочных батарей значительно больше, чем для свинцово-кислотных. Некоторые из них приведены на изображении ниже.

Существуют также различные механизмы определения окончания заряда щелочного элемента. В некоторых случаях может использоваться сразу несколько способов для фиксации окончания процесса. Более подробно о процессе заряда щелочных батарей можно узнать из этого материала. В процессе заряда напряжение на выводах щелочного аккумулятора постепенно увеличивается до 1,6─1,75 вольта. На заключительном этапе напряжение может подниматься до 1,8 вольта. В случае с герметичными щелочными АКБ бывает так, что окончание заряда определяется переданными ампер-часами. Чтобы зарядить батарею целиком иногда расходуется количество энергии, соответствующее 150 процентам от номинальной ёмкости. Напряжение полностью заряженного щелочного аккумулятора в разомкнутой цепи составляет 1,45 вольта.

Читайте также:  Треугольник напряжений при активно индуктивной нагрузке

Литиевые

Процесс заряда будет рассмотрен на примере литий─ионных аккумуляторных батарей. В последнее время они получили широкое распространение в качестве источников питания для бытовой техники, потребительской электроники, электроинструмента, электромобилей, электровелосипедов, скутеров и т. п. По сравнению с вышеописанными свинцово-кислотными и щелочными АКБ литий─ионные модели имеют более высокую энергоёмкость.

Происходящие процессы

В литиевый электрохимической системе сейчас используются различные химические соединения и периодически разрабатываются новые. Мы рассмотрим реакции, происходящие при заряде в большинстве распространённых коммерческих Li─Ion батареях. Отрицательный электрод выполняется из материала, содержащего углерод. Благодаря его природе и составу электролита происходит процесс интеркаляции ионов лития в углерод. Углеродная матрица обладает слоистой структурой, которая может быть упорядоченной или частично упорядоченной. Это уже зависит от конкретного углеродосодержащего материала.

[banner3] Поиски новых материалов для положительного электрода ведутся постоянно и периодически выпускаются новые модели с усовершенствованными характеристиками. При заряде литий─ионного аккумулятора на электродах протекают следующие реакции. Положительный электрод LiCoO 2 -> Li 1-xCoO 2 + xLi + +xe — Отрицательный электрод C + xLi + + xe — -> CLi x В процессе интеркаляция ионы лития из электролита внедряются между слоями углерода. При этом объём углеродной матрицы меняется незначительно. Этими качествами был обусловлен выбор углерода в качестве материала анода. Помимо материала, содержащего углерод, в отрицательном электроде могут быть такие добавки, как олово, серебро и их сплавы. В некоторых моделях встречаются композитные материалы.

Режимы заряда

Процесс заряда литий─ионных аккумуляторов комбинированный и проходит в два этапа. На первой стадии ведётся зарядка током, величина которого составляет от 20 до 100% от номинальной емкости батареи. Этот этап продолжается до того, пока напряжение АКБ не достигнет 4,1 вольта. После этого начинается второй этап, во время которого заряд ведётся при постоянном напряжении. По времени вся зарядка продолжается около 3 часов (при максимально допустимом токе), из которых на первый этап отводится один час. Более подробно о процессе заряда литиевых аккумуляторов можно прочитать в этой статье. Окончание заряда фиксируется в тот момент, когда напряжение достигло максимального (4,1─4,2 В), а ток уменьшился до 3% от своей величины в начале процесса. В некоторых случаях возможен третий этап, который представляет собой хранение. Этот этап представляет собой периодическую подзарядку для компенсации ёмкости, потерянной в результате саморазряда.

Бывают зарядные устройства, которые обеспечивают только первый этап зарядки. При таком варианте степень заряженности батареи составляет около 70─80%.

Опрос

Примите участие в опросе! [poll ] Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Исправления и дополнения к материалу, а также ваше мнение о заряде свинцово-кислотных, щелочных, литиевых аккумуляторов, оставляйте в комментариях ниже. Голосуйте в опросе и оценивайте статью.

Источник



Алгоритмы заряда аккумуляторных батарей

Введение

Аккумулятор — это химический источник тока. Его основной особенностью является возможность повторного накопления энергии, то есть осуществления процесса заряда. В системах оперативного постоянного тока (далее — СОПТ) в основном применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Принцип их работы основан на химических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора нагрузки начнется процесс разряда. Во время разряда происходит преобразование свинца, диоксида свинца, серной кислоты в свободные электроны, воду и сульфаты свинца. Во время заряда идет обратная реакция — сульфаты свинца разрушаются, восстанавливается свинец и серная кислота.

Читайте также:  Регулятор напряжения для мотоцикла yamaha

Алгоритм заряда описывает, как нужно заряжать аккумулятор, а именно — какие нужно поддерживать параметры напряжения и тока, а также в течение какого времени. Благодаря алгоритмам заряда и принципам, заложенным в их основу, обеспечивается:

  • Быстрая скорость заряда.
  • Безопасность.
  • Максимальное сохранение ресурса.
  • Замедление старения.

В процессе разряда аккумулятора образовались сульфаты свинца. Чтобы восстановить уровень заряда аккумулятора и его емкость необходимо преобразовать максимально возможное количество сульфатов свинца в свинец на катоде и оксид свинца на катоде. При подаче на аккумулятор напряжения большего, чем на нем, начинается процесс заряда. Чем выше поданное напряжение, тем интенсивней будет протекать химическая реакция и тем больший ток будет течь через аккумулятор. Если величина поданного напряжения будет недостаточна, то ток протекающий через аккумулятор будет слишком мал и заряд будет протекать очень медленно. Из-за этого не произойдет разрушение сульфатов свинца, образовавшихся при разряде, и емкость аккумулятора не восстановится.

При повышенном напряжении заряда повышается скорость протекания химических реакций и величина тока, следовательно, повышается температура АКБ. Ближе к концу заряда процесс электролиза воды начинает преобладать и происходит так называемое закипание электролита из-за выделения кислорода и водорода.

Это опасно тем, что возникает риск взрыва выделившегося водорода, а потеря воды в аккумуляторе приведет к снижению плотности электролита и снижению ресурса батареи. Поэтому очень важно при заряде АКБ поддерживать необходимый уровень тока и напряжения.

Способ заряда конкретного аккумулятора определяется его производителем. Наиболее распространенными являются следующие методы заряда: U, IU, IUI.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Алгоритмы и методы заряда АКБ

Метод заряда U

Этот способ является самым простым. Напряжение в режиме заряда от режима подзаряда не отличается. Обычно напряжение подзаряда составляет 2,25 В/элемент. Если батарея состоит из 17 12 В аккумуляторов, то общее напряжение на батарее должно поддерживаться на уровне 230 В. Ток заряда в методе U ограничен на уровне 10-30 % от емкости АБ.

В начале заряда аккумулятор имеет низкое напряжение и потребляет большой ток, поэтому зарядно-подзарядное устройство (далее — ЗПУ) его ограничивает. Затем уровень заряда увеличивается и напряжение растет. Как только оно достигает значения уставки, ЗПУ начинает его стабилизировать. Батарея продолжает заряжаться постоянным напряжением и потребляемый ей ток постепенно снижается. Как только потребляемый аккумулятором ток станет мал, то считают, что аккумулятор заряжен.

Метод IU

Отличается от метода U повышенным напряжением в режиме заряда. Благодаря этому увеличивается скорость заряда АКБ и эффективнее происходит разрушение сульфатов свинца, но важно следовать рекомендациям производителя, чтобы не повредить энергоноситель.

Метод IUI

Здесь уже добавляется третья дополнительная ступень, которая называется ступенью выравнивания. В этой ступени напряжение на одном аккумуляторе может достигать 15,5 В. Ток ограничен на уровне 2-5 % от емкости АКБ. Благодаря этой ступени происходит выравнивание напряжений между аккумуляторами в батарее, а также между элементами в самом аккумуляторе. Так как ступень выравнивания проводится при очень высоком напряжении, то она жестко ограничена по времени. Длительность этой ступени определяет производитель аккумуляторов. Данный метод заряда не подойдет для аккумуляторов, изготовленных по технологии GEL, так как повышение напряжения на них обычно не рекомендуется.

Заключение

После завершения заряда АБ зарядно-подзарядное устройство переходит в режим подзаряда. В СОПТ АБ работает в буферном режиме, то есть в обычном режиме АБ потребляет небольшой ток и осуществляет питание импульсной нагрузки. При исчезновении питания по стороне переменного тока АБ осуществляет питание нагрузки. Условием завершения заряда является снижение потребляемого тока, либо заряд АБ завершается по истечению времени.

В зарядно-подзарядном устройстве LAUREL реализованы все вышеперечисленные методы заряда, поэтому LAUREL может эксплуатироваться с большинством типов современных АБ.

Источник