2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Свинцовые аккумуляторы: зарядка и правильное обслуживание АКБ авто
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи выступают самыми популярными и дешевыми среди всех аккумуляторов. Изобретенные ещё в 1859 году, они не сильно изменились за это время. Хотя появились так называемые необслуживаемые версии, а также AGM и гелевые аккумуляторы (GEL), принцип работы и основные электрические параметры у всех одинаковы. Об этом стоит помнить при выборе аккумулятора для авто.
Хотя основные свойства свинцово-кислотных аккумуляторов слабее, чем у большинства других аккумуляторов, низкая цена делает их по-прежнему самыми популярными. Свинцовые батареи обычно используются для привода электропогрузчиков, электротележек, электросамокатов и так далее. В таких устройствах они работают циклически: поочередно заряжаются и разряжаются. Свинцово-кислотные батареи широко используются в устройствах бесперебойного питания, от небольших домашних ИБП до мощных серверных.
Там свинцово-кислотные батареи работают в так называемом буферном режиме: они постоянно подключены к зарядному устройству, которое поддерживает «буферное напряжение» на батарее и всегда готово вернуть энергию в случае отключения электричества. Похожим образом АКБ работают в автомобилях. Пока двигатель работает, стабилизатор генератора поддерживает заданное напряжение 14,4 В на батарее, чтобы гарантировать ее полную зарядку.
Принцип действия аккумулятора
Во время зарядки ток разрушает сульфат свинца
Напомним, что в свинцово-кислотном аккумуляторе основой накопления энергии является обратимое превращение металлического свинца и оксида свинца в сульфат свинца (PbSO 4), которое происходит с участием электролита, например 37% раствор серной кислоты (H 2 SO 4).
Обычно в полностью заряженном АКБ электролит, серная кислота, находится в максимальной плотности. Когда аккумулятор разряжается, образуется сульфат свинца и концентрация кислоты в электролите снижается. В полностью разряженной батарее концентрация кислоты равна нулю, а электролит по-сути станет как дистиллированная вода.
Взятые вместе, эти обратимые химические процессы можно записать следующим образом:
Можно сказать, что во время зарядки электричество «разрушает» сульфат свинца (PbSO 4), так что в электролите содержится все больше и больше серной кислоты. Проблема в том, что когда все частицы сульфата свинца разрушены, то есть когда батарея полностью заряжена, продолжающаяся подача электричества заставляет молекулы воды (H 2 O) «ломаться» с образованием газообразного кислорода и газообразного водорода. Этот процесс называется отравлением аккумуляторной батареи.
Номинальное напряжение одиночного свинцово-кислотного элемента составляет 2 В. Значит аккумулятор на 6 В состоит из трех элементов, называемых ячейками, а аккумулятор на 12 В из 6 элементов (точнее номинальное напряжение составляет 2,1 В).
Зависимость эффективности зарядки от степени заряда (вверху) и тока зарядки (внизу)
На графике выше представлена важная информация. Нижняя часть показывает, что в типичных условиях эффективность зарядки превышает 95%, то есть почти вся загруженная энергия сохраняется, и только несколько процентов подаваемой энергии преобразуется в тепло. В верхней части рисунка показаны наиболее важные данные.
Как видно эффективность падает, когда аккумулятор полностью заряжен. Фактически, когда вся активная масса батареи прореагировала, заряжать нечего, а когда ток продолжает течь и подается энергия, ее нельзя использовать и она частично преобразуется в тепло и частично электролизует батарею, то есть идёт выделение газа.
Обычно эффективность зарядки начинает снижаться, как только она заряжена примерно до 75%. Это означает, что особое внимание следует уделить завершающей стадии зарядки. Особенно это актуально для версии с герметичным корпусом.
Типы кислотных аккумуляторов
В классических батареях каждая ячейка имеет пробку. До сих пор производятся аккумуляторы, которые необходимо заполнить электролитом перед первым использованием (с плотностью 1,28 г / см3), а затем дистиллированной водой, когда уровень электролита упадет ниже отмеченного минимума. На фото показаны батареи с заглушками, позволяющими доливать воду.
При зарядке старых аккумуляторов этого типа приходилось откручивать заглушки, чтобы газы выходили изнутри. В более новых откручивать заглушки не нужно, так как встроенные клапаны будут выпускать лишние газы автоматически. В любом случае аккумуляторы такие не требуют особых условий зарядки. Когда они перегружены и часть воды превращается в кислород и водород в процессе газообразования, можно легко решить проблему добавив дистиллированную воду.
В старых батареях контроль плотности электролита с помощью ареометра позволял определять степень заряда (при полном заряде 1,26 … 1,28 г / см3, в разряженном около 1 г / см3), а добавление воды было обычной и необходимой практикой. Для подзарядки таких старых батарей использовались примитивные выпрямители, содержащие только трансформатор и диодный мост.
Простые зарядные устройства для кислотных аккумуляторов
Батарея заряжалась пульсирующим током с большой переменной составляющей. Для регулирования тока использовались либо отводы трансформатора, либо проволочные резисторы на вторичной стороне, либо лампочка, включенная последовательно с первичной обмоткой.
Такие старые аккумуляторы не боялись перезарядки. Сопутствующее отравление газом не повредило батарею, только происходил электролиз и потеря воды. Достаточно было время от времени добавлять дистиллированную воду.
Технический прогресс, в том числе использование кальция вместо сурьмы в качестве добавок, позволил создать АКБ, которые при надлежащих условиях эксплуатации имеют очень небольшую потерю воды. Разработаны так называемые необслуживаемые аккумуляторные батареи. Термин «не требующий обслуживания» означает лишь то, что потеря воды мала, и производитель не предусматривает необходимости её добавления.
Необслуживаемый автомобильный аккумулятор с индикатором глазком
Но во многие «необслуживаемые» АКБ можно добавлять воду. Существуют также полностью необслуживаемые версии, которые не имеют заглушек для заливки воды, но имеют максимум клапанов давления или один общий клапан для удаления лишних газов в случае перезарядки.
Эти клапаны защищают от взрыва и предотвращают утечку электролита в случае опрокидывания аккумулятора. Но в любой сильно перезаряженной свинцово-кислотной батарее конечно будет интенсивное выделение газов и потеря воды, которую в полностью необслуживаемой батарее невозможно пополнить из-за отсутствия заглушек.
Современные автомобильные аккумуляторы часто имеют встроенные индикаторы под стеклом, цвет которых примерно определяет состояние аккумулятора (зеленый — ОК, черный — нужно зарядить, белый — повреждение и дефицит электролита). Это не электронная схема, а простой измеритель плотности и уровня электролита с зеленым шариком.
Аккумуляторы GEL и AGM
Для многих сфер требуются батареи, которые безопасны в эксплуатации, полностью герметичны и не пропускают кислоту. Их называют батареями VRLA (свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном), иногда также называемые SLA (герметичные свинцово-кислотные батареи). Основой здесь является не только использование герметичных клапанов, но и улавливание электролита в банках.
Известны два типа батарей VRLA — более популярные AGM и гораздо менее распространенные гелевые (GEL).
AGM означает «Абсорбированный стеклянный мат». В ячейках между пластинами находится стекловата (мат), в которой задерживается электролит. С другой стороны, в гелевых батареях электролит находится в форме геля благодаря добавке кремнезема.
Обычный пользователь не заметит разницы между AGM и гелевыми на глаз, потому что их конструкция и корпус могут быть одинаковыми. Часто метка AGM на аккумуляторе отсутствует; надпись GEL не всегда бывает на геле. Такие герметичные батареи ошибочно называют «гелевыми», хотя наиболее распространенными являются батареи типа AGM.
Различия между AGM и гелевыми батареями в основном состоят в долговечности и рекомендуемых условиях зарядки и разрядки. Как правило, большинство GEL не могут работать при высоких токах, поэтому, например, для ИБП обычно используются аккумуляторы AGM. С другой стороны, GEL обычно служат дольше, но только в более мягких условиях эксплуатации. Правда есть гелевые аккумуляторы для тяжелых циклических работ и глубокого разряда.
Следует подчеркнуть, что преимуществом AGM и гелевых аккумуляторов являются, с одной стороны, их герметичность и необслуживаемость, а с другой — они требуют тщательно подобранных условий зарядки. Хотя у них есть клапаны, но они будут работать только в случае выхода из строя, когда происходит перезарядка и сильное газообразование.
У них во время правильной зарядки выделяется определенное количество газов, давление увеличивается, но благодаря присутствию катализатора происходит рекомбинация, то есть повторное преобразование водорода и кислорода в воду. Клапаны закрыты и открываются только при особо большом увеличении давления, когда происходит сильное газообразование из-за перезарядки.
Внимание: даже однократная сильная перезарядка очень вредна и может необратимо снизить емкость AGM и гелевых аккумуляторов. В то время как в случае старых классических открытых батарей газообразование было допустимо, в AGM и гелевых батареях выделение газа запрещено.
Чрезмерный разряд тоже очень вреден, особенно в батареях AGM. Существует несколько неблагоприятных явлений, включая так называемую сульфатацию, то есть образование непроводящего слоя кристаллов сульфата свинца внутри батареи. Даже однократный разряд до нуля может вызвать серьезную необратимую потерю емкости и такую разряженную батарею следует как можно скорее перезарядить.
Поэтому важно как не перезаряжать, так и не разряжать аккумулятор. На самом деле это просто. Чтобы предотвратить перезарядку, достаточно ограничить зарядное напряжение до безопасного значения. Чтобы предотвратить чрезмерную разрядку, стоит использовать схему сигнализации падения напряжения и добавить схему автоматического отключения.
Зависимость времени автономной работы от глубины разряда
Автомобильный аккумулятор заданной емкости однозначно дешевле «неавтомобильного» такой же емкости. В основном это связано с тем, что автомобильный АКБ рассчитан на работу в относительно мягких условиях.
Хотя перепады температур при его использовании большие, от -20 ° C до более + 40 ° C, в автомобиле он постоянно заряжается генератором и регулятором, затем напряжение держится на уровне 14,4 В. Конечно присутствует высокий ток в течение нескольких секунд во время запуска и небольшой ток во время простоя.
Соответственно, автомобильные аккумуляторы имеют относительно простую конструкцию и не подходят для интенсивной езды на велосипеде, когда они почти полностью разряжены после зарядки. При интенсивных циклах (зарядка / полная разрядка) они просто будут иметь очень короткий срок службы и потеряют емкость уже после небольшого количества циклов.
Для тяжелых циклических работ, например, в электропогрузчиках или тележках, производятся так называемые тяговые батареи, которые более мощные, но и более дорогие.
Надёжность сильно зависит от глубины разряда. Если хотим увеличить срок службы, то должны получить аккумулятор большей емкости, чем требуется, и никогда не разряжать его полностью.
Есть много типов «неавтоматических» кислотных аккумуляторов. Все они подходят для мягких условий буферизации. Но не все из них подходят для тяжелой циклической работы — здесь следует использовать предназначенные специально для такой работы «усиленные» версии, которые дороже. В то время как, например, автомобильный аккумулятор емкостью 100 А · ч можно купить дешевле 10000 рублей, за аккумулятор глубокого разряда (тягового) 12 В / 100 Ач придется заплатить от 20000.
Что касается наиболее популярных герметичных аккумуляторов AGM, многие из них предназначены в основном для работы в схемах резервного питания в относительно мягких условиях. В документациях к ним можете проверить, подходит ли данный тип также для циклической работы.
Ещё необходимо знать, что отдельные производители предлагают несколько или даже около десятка серий (семейств) гелевых аккумуляторов, которые отличаются, среди прочего, именно способность работать циклично и долговечно.
Защита от перезарядки батареи
Кислотные батареи имеют очень важное преимущество, заключающееся в том что напряжение отражает состояние заряда. Чтобы избежать перезарядки, просто не превышайте указанное в паспорте напряжение.
Зарядный ток обычно находится в диапазоне 0,1 C … 0,3 C (в некоторых случаях до 0,4 C), что численно составляет 10 … 30% емкости аккумулятора (C), выраженной в ампер-часах. Например, для аккумулятора емкостью C = 70 Ач ток 0,1 C равен 7 A, а 0,4 C — 28 А.
Обычно указывается максимальный зарядный ток данной батареи — например, максимальный зарядный ток обычных типовых автомобильных 12-вольтовых аккумуляторов составляет 3,6 А, то есть 0,3 С (30% от числового значения емкости).
Зарядка при 0,3 C в течение 3 часов 20 минут теоретически обеспечит аккумулятор номинальным зарядом (C). Но из-за недостаточной эффективности батареи полученный заряд должен быть больше, чем C.
Зарядка при постоянном токе в течение времени, возможно, будет приемлемой при низком зарядном токе, значительно ниже 0,1 C (10% емкости по количеству). Но это также может повлечь за собой газообразование. Проблема в том, что напряжение свинцовой батареи растет, и при значительном токе оно превысит допустимый уровень, что вызовет интенсивное выделение газов.
Теоретически можно использовать любой примитивный выпрямитель из лампочки и диодов, контролируя напряжение с помощью вольтметра и отключать заряд при повышении напряжения до предельного значения. На практике такой способ контроля не сработает. Человеческое участие должно быть исключено (чтоб не забыть отключить АКБ). Кроме того, многие производители сообщают, что AGM и гелевые аккумуляторы следует заряжать «плавным» постоянным током с минимально возможной пульсацией.
Поэтому для взаимодействия с гелевыми и AGM-аккумуляторами используются специальные зарядные устройства, которые по сути представляют собой стабилизаторы с определенным напряжением, обычно также содержащие схему ограничителя тока.
Самая популярная процедура зарядки CCCV
Схема зарядного устройства на 1 Ампер с ограничителем тока представлена на рисунке ниже. На начальном этапе зарядки аккумулятор заряжается постоянным током, определяемым номиналом резистора R3 (I
0,7 В / R3). Когда падение напряжения на R3 приближается к 0,7 В, T1 начинает открываться, и напряжение понижается настолько чтобы поддерживать постоянный ток.
Схема зарядного устройства с ограничителем тока
В этой начальной фазе в зарядном устройстве срабатывает ограничитель тока и напряжение постепенно увеличивается. Когда напряжение достигает значения, определяемого R1 и R2 + P1, зарядное устройство начинает работать как обычный стабилизатор напряжения с блоком LM317 в простейшем включении. Напряжение больше не увеличивается, а это значит что когда аккумулятор почти полностью заряжен, ток автоматически начинает плавно уменьшаться, практически до нуля.
Зарядные характеристики авто АКБ
Процесс этой самой популярной процедуры зарядки, называемой CCCV (постоянный ток, постоянное напряжение), показан на рисунке. Предотвращение чрезмерного повышения напряжения эффективно предотвращает образование газов. Методом CCCV также заряжают литиевые батареи (Li-Ion, LiPo, LiFePO4), отличаются только допустимые токи и напряжения.
В основном обсуждался вопрос о максимальном токе зарядки. Стоит отметить, что в каталогах приведены характеристики такого заряда при относительно небольшом токе 0,1 С. Пример на рисунке. При таком токе время зарядки составляет 15 … 20 часов, что иногда будет недопустимо долгими.
Можно сократить время зарядки, увеличив ток до максимального значения по документации к АКБ. Тогда время зарядки будет в 1,5 … 2 раза меньше, чем это могло бы быть при делении номинальной емкости C на стандартный зарядный ток.
Циклическая и буферная работа АКБ
На некоторых батареях, на корпусе показывается максимальный ток зарядки и два напряжения, или фактически два диапазона напряжений.
Допустимое напряжение цикла использования применяется к циклической работе, то есть когда аккумулятор заряжается в течение нескольких часов, а затем разряжается в течение более длительного или более короткого времени. Примером может служить аккумулятор от электросамоката, работающий циклически.
С другой стороны, режим ожидания — это так называемая буферная работа, когда аккумулятор всегда под напряжением, готов к работе. Типичный пример — ИБП. Еще один пример — резервный источник питания для сигнализации. Тогда аккумулятор постоянно подключен к зарядному устройству — блоку питания, поэтому напряжение ниже, чем в циклическом режиме.
Как показано на фото, напряжение во время плавающего режима должно составлять 13,5 — 13,8 В, в циклическом режиме конечное напряжение заряда может составлять 14,4 — 15,0 В. Поскольку 12-вольтовая батарея имеет шесть ячеек, это дает 2,25 — 2,30 В / ячейку в буферном режиме и 2,4 — 2,5 В / ячейку в циклическом режиме.
Температурная проблема у АКБ
Указанные диапазоны конечного напряжения обычно относятся к температуре 20 ° C. Если температура аккумулятора отличается, необходимо отрегулировать напряжение зарядки. И начинается проблема. Разные компании приводят разные данные по температурной компенсации.
Различные источники сообщают, что в заряжаемой батарее напряжение каждой ячейки должно изменяться с коэффициентом от -3 до -6 милливольт на градус Цельсия. Это означает при более низких температурах напряжение зарядки должно быть выше, иначе аккумулятор не будет полностью заряжен. При более высоких температурах следует снизить зарядное напряжение, поскольку повышение температуры снижает порог газовыделения и существует риск так называемого теплового разгона.
Ситуация аналогична ситуации в полупроводниковом диоде, в котором при постоянном прямом напряжении прямой ток увеличивается с увеличением температуры. При увеличении тока мощность потерь и количество выделяемого тепла также увеличиваются, что дополнительно увеличивает температуру перехода. Более высокая температура перехода увеличивает протекающий ток еще больше. При более высоких токах возникает положительная обратная связь, которая может привести к чрезмерному повышению температуры и повреждению. То же самое и с кислотным аккумулятором.
Переходная характеристика диода
В диодах и транзисторах эта проблема возникает, когда они соединены параллельно, в то время как в кислотных батареях проблема теплового пробоя может возникнуть даже при использовании зарядного устройства с ограничением напряжения, если температура слишком высока, а зарядный ток велик.
Зависимость зарядного напряжения от температуры АКБ
На практике это в основном относится к циклическому режиму работы, при котором чтобы зарядить аккумулятор как можно быстрее, работаем с максимально возможными максимально допустимыми токами зарядки порядка 0,2 — 0,3 С. В буферном режиме проблема возникает редко, потому что обычно рабочие температуры ниже, а токи заряда меньше, обычно 0,1 C или меньше.
В любом случае проблема теплового разрушения герметичных гелевых и AGM аккумуляторов при циклической работе представляет собой значительный риск, который не следует недооценивать.
В некоторых таблицах указаны значения теплового коэффициента, чаще всего -3 мВ / ° C на ячейку для буферной работы и -5 мВ / ° C на ячейку для циклической работы. Для 12 В батареи это соответствует -18 В / ° C и -30 мВ / ° C соответственно. Можно найти информацию о том, что тепловой коэффициент должен быть адаптирован не только к режиму работы (циклический / буферный), но и к температуре.
При более низких температурах коэффициент термической коррекции должен быть больше. В других таблицах есть найти графики, и их нелинейный характер указывает на то, что проблема термокомпенсации довольно сложна.
Но в зарядном устройстве не всегда должна быть цепь датчика температуры, корректирующая зарядное напряжение. Например, если аккумулятор будет работать в буферном режиме в схеме охранной сигнализации в квартире, можно предположить, что диапазон ожидаемых изменений температуры окружающей среды и аккумулятора составит 15 ° C, от + 15 ° C до + 30 ° C, то есть 22,5 ° C ± 7,5 ° C. А это допустимо.
Узкие пределы для циклических и буферных режимов
Предполагая тепловой коэффициент -18 мВ / ° C для буферного режима АКБ, при изменении температуры на 15 градусов понадобится изменить напряжение батареи на 270 мВ (0,27 В). Между тем рекомендуемый диапазон напряжений для плавающего режима составляет 13,5 — 13,8 В, то есть запас 300 мВ больше расчетной компенсации. Это означает, что схема зарядного устройства может быть упрощена и постоянное буферное напряжение подзаряда около 13,6 — 13,65 В может быть установлено на уровне 22 ° C.
- При буферной работе в диапазоне температур + 15 ° C … + 35 нет необходимости добавлять схему температурной компенсации — достаточно установить буферное напряжение при комнатной температуре 13,65 В, т. Е. 2,275 В / элемент.
- Иначе обстоит дело с циклической работой. Давайте рассмотрим пример батареи AGM со значительным зарядным током. Предположим, что это относительно небольшая батарея на 40 Ач, которую заряжаем на даче зарядным устройством с током 10 А.
Следует предположить, что жарким летом температура окружающей среды может достигать + 35 ° C, а при зарядном токе 10 А внутренняя часть аккумулятора будет нагреваться, поэтому максимальная температура аккумулятора составляет например + 55 ° C. В свою очередь, температура зимой может упасть даже ниже 20 градусов, и температура внутри хорошо охлажденной батареи будет около нуля градусов. Если предположить диапазон рабочих температур от 0 до + 55 ° C и тепловой коэффициент -30 мВ / ° C в циклическом режиме работы, придётся изменить конечное напряжение зарядки на 1,65 В!
Рекомендуемые характеристики зарядки надежного гелевого аккумулятора
При температуре + 20 ° C рекомендуемый диапазон зарядных напряжений составляет 14,4 — 15,0 В. Когда подаем это напряжение при температуре 0 градусов Цельсия, аккумулятор просто не заряжается. При коэффициенте -30 мВ / ° C диапазон зарядных напряжений при температуре, близкой к нулю, должен составлять 15,0 — 15,6 В. Но при температуре аккумулятора + 55 ° C конечное напряжение должно быть уменьшено до 13,35 — 13,95 В, для предотвращения газообразования и теплового пробоя.
Отдельные производители предоставляют немного разную информацию для своих АКБ. И поэтому можно найти рекомендации, что напряжение для циклической зарядки должно быть 14,5 — 14,9 В, а для буферной зарядки 13,6 — 13,8 В. На рисунке показаны гораздо более узкие рекомендуемые диапазоны напряжения для циклической и буферной работы, определенные с допуском 20 мВ.
Кто-то скажет, что нужно следить не за температурой окружающей среды, а за температурой внутри батареи, что на самом деле является очень сложной или даже невыполнимой задачей. На практике датчик температуры окружающей среды может обеспечить правильную компенсацию и даже оказаться лучше, чем измерение температуры внутри аккумулятора.
Благоприятным обстоятельством является то, что нагрев внутренней части аккумулятора значительным зарядным током будет наиболее сильным на первой фазе. Зато по достижении заданного напряжения ток уменьшится, и батарея будет медленно остывать до температуры окружающей среды.
Ускоренный процесс зарядки аккумуляторов
И тут вспомним об ускоренном процессе зарядки, который, правда, требует чуть более умного зарядного устройства. Ускорение основано на том, что на первом этапе зарядки устанавливается повышенное максимальное напряжение, благодаря которому аккумулятор может заряжаться быстрее, потому что позже ток начнет уменьшаться когда он будет почти полностью заряжен.
Когда напряжение заряжаемого аккумулятора достигает установленного повышенного предела, и ток, наконец, начинает уменьшаться, происходит переключение — понижение значения напряжения зарядного устройства, которое хоть и вызывает быстрое уменьшение зарядного тока, но более низкое безопасное напряжение устранит риск выделения газов, даже если аккумулятор на длительное время оставлен вместе с зарядным устройством. Характеристики такой зарядки показаны на рисунке.
Такая идея интересна, но в интернете сложно найти конкретные советы и информацию об уровнях напряжения при двухступенчатой зарядке. Тем не менее, подобный ускоренный заряд имеет место, когда в первой фазе температура повышается под действием значительного тока, затем ток уменьшается и батарея остывает.
Практические схемы зарядных устройств, в том числе для самостоятельной сборки, вы найдёте в этом разделе.
Источник