Буферное напряжение для автомобильного аккумулятора

Циклический и буферный режимы работы акб

Буферный режим

Буферный режим работы аккумуляторных батарей является самым «любимым» — батарея находится на постоянной подзарядке и очень редко получает глубокий разряд. В таком режиме аккумулятор прослужит вам максимально долго.

Примером использования аккумулятора в буферном режиме может быть источник бесперебойного питания: когда присутствует сеть, аккумулятор постоянно держит заряд, а в момент, когда сеть пропадает, аккумулятор начинает отдавать накопленную энергию. В компьютерных источниках бесперебойного питания обычно используют аккумуляторы 12 В ёмкостью от 7 до 26 А-ч, это даёт возможность компьютеру проработать от аккумулятора дополнительных 10-15 минут при отключении электричества.

Сфера применения при буферном режиме:

• накопители солнечной энергии
• источники бесперебойного питания (ИБП)
• системы аварийного освещения
• лифты
• пожарные и охранные системы
• контрольно-кассовые аппараты
• аварийные системы

Циклический режим

Циклический режим работы является самым «жёстким» для аккумуляторной батареи. В таком режиме её полностью разряжают, потом ставят на зарядку и снова полностью разряжают. Срок службы в таком случае будет зависеть от глубины разряда аккумулятора.

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов AGM-типа имеют циклический ресурс не более 300 циклов 100% разряда, но уже существуют аккумуляторы нового поколения, циклический ресурс которых составляет 600 циклов 100% разряда.

Сфера применения при циклическом режиме:

• поломоечные машины
• лодочные моторы
• электромобили
• погрузочная техника и т.д.

Источник

Буферное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора

Буферное зарядное устройства (БЗУ) представляет собой стабилизированный источник напряжения, имеющий ограничитель выходного тока. Напряжение на выходе БЗУ соответствует напряжению на заряженном аккумуляторе. Если к такому устройству подключить требующую подзарядки аккумуляторную батарею, то зарядный ток будет определяться разностью напряжений на батарее и на выходе БЗУ, а также внутренним сопротивлением аккумулятора. В процессе зарядки зарядный ток уменьшается, пока не станет равным току саморазряда аккумулятора. В таком состоянии аккумулятор может находиться неограниченно долго — в течении всего срока эксплуатации. Если к БЗУ будет подключен сильно разряженный или неисправный (содержащий короткозамкнутые пластины) аккумулятор, то зарядный ток может существенно возрасти. Чтобы он не мог превысить безопасные значения в БЗУ имеется ограничитель выходного тока.

Буферный режим зарядки свинцовых аккумуляторных батарей широко используется в источниках бесперебойного питания. Опыт эксплуатации таких источников, а также рекомендации изготовителей аккумуляторов для них, говорят о том, что буферная зарядка весьма благотворно сказывается на сроке службы свинцовых аккумуляторов.

Буферная зарядка автомобильных аккумуляторов не получила широкого распространения по нескольким причинам. Полная зарядка от БЗУ сильно разряженного аккумулятора занимает больше времени, чем обычная зарядка. Существенные изменения зарядного тока, характерные для буферной зарядки, не соответствуют рекомендациям изготовителей аккумуляторов, которые обычно предлагают заряжать аккумулятор стабильным током, численно равным одной десятой ёмкости батареи. Главным препятствием на пути изготовления и использования БЗУ является то, что данное устройство должно работать постоянно, если автомобиль, на котором установлен заряжаемый аккумулятор, находится в гараже. Это требование накладывает на схемотехнику и конструкцию БЗУ повышенные требования по надёжности, а также электро и пожаробезопасности.

Вопросы, связанные с целесообразностью использования БЗУ с автомобильными аккумуляторами и зависимостью их срока службы от режима зарядки, выходят за рамки данной статьи. Отметим только, что режим БЗУ используется во многих фирменных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов. Они автоматически переходят в режим БЗУ по окончании зарядки аккумулятора стабильным током и находятся в этом режиме пока аккумулятор не будет отключен. Также, по мнению автора, производители аккумуляторов не слишком заинтересованы в продлении сроков эксплуатации их продукции. В связи с этим рекомендуемый ими режим зарядки не следует воспринимать как единственно возможный.

У автора аккумуляторная батарея 6СТ-55 Подольского аккумуляторного завода прослужила 13 лет. Автомобиль, на котором она была установлена, эксплуатировался круглый год и хранился в неотапливаемом гараже. В течении всего срока эксплуатации батарея была подключена к БЗУ, которое отключалось только на время поездок.

Внешний вид БЗУ представлен на фотографии.

На верхней панели устройства имеется кнопка выключателя сетевого питания. Справа от кнопки под завинчивающейся крышкой находится ось переменного резистора, позволяющего регулировать выходное напряжение БЗУ. Далее, справа от переменного резистора, расположен выходной разъём. На передней панели имеется закрытое оргстеклом окно, за которым находится табло измерителя выходного тока и напряжения, а также два зелёных светодиода, сигнализирующих об исправности БЗУ. Справа от окна имеется таблица, содержащая ряд значений выходного напряжения БЗУ, которые следует устанавливать в зависимости от температуры в гараже. Свойства свинцовых аккумуляторов таковы, что при повышенных температурах напряжение на выходе БЗУ следует уменьшать, а при пониженных — увеличивать. Температурный коэффициент для свинцового аккумулятора с номинальным напряжением 12 Вольт по разным источникам составляет от — 30 до -15 мВ/°С. Таблица составлена исходя из значения -20 мВ/°С.

На следующем рисунке представлена схема электрическая принципиальная БЗУ.

Автор неоднократно убеждался в том, что надёжность работы моточных изделий — электромоторов, трансформаторов, реле и т.п., эксплуатируемых в неотапливаемых помещениях, существенно снижается. Как правило причиной отказов является образование короткозамкнутых витков. Видимо это связано с повышенной влажностью и большими перепадами температуры, способствующими разрушению лаковой изоляции обмоточного провода. В данном устройстве для повышения надёжности используются два силовых трансформатора, обмотки которых включены последовательно. При таком соединении межвитковое замыкание в любом из трансформаторов не вызывает аварийной ситуации — существенного повышения токов в обмотках, перегрева и т.п. Более того — БЗУ в этом случае не теряет работоспособность — продолжает поддерживать аккумулятор в заряженном состоянии. Светодиоды HL1 и HL2 сигнализируют об исправности трансформаторов. Если один из них перестаёт светиться, то соответствующий трансформатор нуждается в ремонте или замене. Если неисправность произойдёт в обеих трансформаторах, то может увеличиться потребляемый ток. Также может произойти перегрев обмоток трансформаторов. В этом случае сработают плавкие предохранители FU2,3 или тепловые предохранители FU1, FU4.

Стабилизацию напряжения и ограничение зарядного тока обеспечивает микросхема DA1 — LM317. Микросхемы данного типа имеют встроенную защиту от повышения выходного тока до значений свыше 2.5 А , защиту от короткого замыкания выхода, а также защиту от перегрева. Схема включения DA1 отличается от типовой только способом регулирования выходного напряжения. В данном случае выходное напряжение регулируется в диапазоне 11. 17 Вольт с помощью резистора R7. В случае потери контакта в этом резисторе ток на выходе БЗУ уменьшится до нуля, а не возрастёт до уровня срабатывания токовой защиты, как это случилось бы при обычном способе регулирования выходного напряжения (переменный резистор между 1-м выводом микросхемы и общим проводом).

При эксплуатации БЗУ может произойти отключение питающей сети. В этом случае ток разряда аккумулятора через БЗУ должен быть минимальным — существенно ниже тока саморазряда. Это обеспечивается с помощью ключа VT1 и диода VD5. При отключении сетевого питания как транзистор VT1, так и диод VD5 запираются. Ключ VT1 разрывает цепь для тока разряда через делитель R5 — R8, а диод VD5 отключает от аккумулятора электролитический конденсатор C2, имеющий значительную ёмкость и, возможно, заметный ток утечки. В результате ток разряда аккумулятора на отключенное от сети БЗУ составляет около 20 мкА. Этот ток определяется главным образом входным сопротивлением вольтметра, подключенного к выходу БЗУ.

Диод VD8 защищает БЗУ в случае ошибки с полярностью подключенного аккумулятора. В этом случае сгорит предохранитель FU5, после замены которого работоспособность устройства восстановится. Если такая ошибка исключена, то данный диод можно не устанавливать.

Вспомогательный источник питания с выходным напряжением около 8 В, собранный на элементах VD3 и С3, служит для питания цифрового измерителя тока и напряжения, подключенного к выходу ЗУ. Также он формирует сигнал, открывающий ключ VT1 при наличии напряжения в питающей сети. Если сетевое напряжение отключается, то конденсатор C3 быстро разряжается до нуля благодаря резистору R4.

В качестве цифрового измерителя тока и напряжения автор использовал широко распространённое устройство, продающееся в интернет-магазинах под названием «100V 10A Voltmeter Amperemeter LED Dual Digital Volt Amp Meter». Поскольку изготовители не всегда приводят схему подключения и цветовая маркировка выводов может отличается от той, которая приводится в описании, предлагается подключить измеритель к БЗУ в соответствии с нумерацией выводов, приведенной на следующей фотографии.

При пользовании измерителем следует учитывать его особенность. Если измеряемый ток менее 50 мА, то на цифровом табло будет нулевой отсчёт «0.00 А». По мнению автора этот недостаток в значительной мере компенсируется доступностью устройства и его невысокой ценой — около 3-х USD. В продаже имеются также более точные измерители не имеющие указанного недостатка, но их стоимость заметно выше.

Внешний вид устройства со снятой крышкой приведен на следующей фотографии.

Все элементы находятся внутри металлического корпуса . Тепловые предохранители FU1 и FU4 приклеены термостойким клеем к трансформаторам Т1 и Т2 соответственно. Плавкие предохранители FU2 и FU3 размещены в сетевой вилке. Для повышения надёжности все плавкие предохранители установлены без арматуры — впаяны в разрывы соответствующих проводов с последующей изоляцией термоусадочной трубкой. Радиатором для микросхемы DA1 и диодного моста VD4 является алюминиевая пластина. Между микросхемой и пластинной следует проложить слюду или иной изолятор, обладающий низким тепловым сопротивлением. Алюминиевая пластина в свою очередь прикручена винтами к металлическому корпусу. Для дополнительного снижения теплового сопротивления использована паста КПТ-8. Резистор R7, с помощью которого регулируется выходное напряжение, должен быть защищён от случайных воздействий. Автор использовал в качестве R7 проволочный резистор типа ПП3-40.

Отладка устройства заключается в подборе резисторов R1 и R2, чтобы обеспечить одинаковую яркость светодиодов HL1 и HL2. Подбор этих резисторов может потребоваться если параметры трансформаторов Т1 и Т2 существенно отличаются. В этом случае напряжения между ними в режиме холостого хода могут распределяться неравномерно. С ростом нагрузки напряжения на трансформаторах выравниваются.

Обязательным условием безопасной эксплуатации БЗУ является надёжное заземление его корпуса.

Для подключения БЗУ к автомобильному аккумулятору удобно использовать разъём прикуривателя, если он не отключается при извлечении ключа зажигания. В противном случае потребуется установить специальный разъём для БЗУ. Конструкция разъёма должна исключать подключение с неправильной полярностью. В провод, соединяющий плюсовую клемму аккумулятора с разъёмом, следует установить плавкий предохранитель на ток 5 А.

Правильный выбор выходного напряжения, на которое настроено БЗУ, очень важен для успешной эксплуатации аккумулятора и зарядного устройства. Если напряжение ниже оптимального значения, то аккумулятор будет заряжен не полностью. Повышенное напряжение может вызвать постепенное выкипание электролита и привести к сокращению срока службы аккумулятора. Изготовители обычно не указывают оптимальное напряжение для буферного режима зарядки автомобильных аккумуляторных батарей. Можно сделать выбор на основе напряжения в автомобильной бортсети — от 13.8 В до 14.5 В. Для буферной зарядки лучше выбрать значение вблизи нижней границы этого диапазона. Также можно взять за основу параметры режима хранения (буферного режима) одного из автоматических зарядных устройств, выпускаемых промышленностью. Например в описании зарядных устройств семейства «Вымпел», фрагмент таблицы из которого приведен в приложении к данной статье, указано напряжение 13.4 — 13.8 В. В настоящее время автор использует БЗУ с необслуживаемой аккумуляторной батареей обычного типа (не AGM). При температуре 20°C напряжение выставлено на 13.7 В. Значения напряжений для других температур можно взять из таблицы, находящейся на передней панели устройства (см. 1-ю фотографию).

Источник

Буферное зарядное устройство свинцовых аккумуляторов

При эксплуатации свинцовых аккумуляторов в нормальном режиме существует два основных способа их зарядки:

• быстрый — метод поддержания постоянного зарядного тока до полной зарядки;
• буферный — I-U зарядка стабильным током до определённого напряжения и дальнейшее его ограничение.

Оба способа имеют как достоинства, так и недостатки и находят своё применение. Здесь и далее по тексту, если не указано другое, то имеется в виду двенадцати-вольтовая аккумуляторная батарея (с номинальным напряжением 12,6 Вольт). При первом способе зарядка выполняется сравнительно быстро и аккумулятор заряжается до полной своей ёмкости при конечном напряжении 14,5-15 Вольт, но в конце зарядки из-за высокого напряжения на электродах происходит обильное газообразование и этим самым снижается срок службы батареи:

Во втором случае зарядка происходит гораздо дольше с ограничением конечного напряжения 13,6-13,8 Вольт и с большИм падением зарядного тока после достижения 80-90% заряда. Выделение газов при этом незначительно, или вовсе отсутствует, как в современных герметичных гелиевых аккумуляторах. В этом режиме такие аккумуляторы могут без проблем проработать весь свой срок эксплуатации:

Быструю зарядку чаще применяют для аккумуляторов, работающих в циклическом режиме, например в детских электромобилях. А в буферном режиме батареям приходится находится в источниках бесперебойного и аварийного питания. Если долгая продолжительность зарядки не критична, то для циклической эксплуатации батарей так же можно использовать буферный режим, но время зарядки в таком случае будет довольно большим.

В наличии как раз имелось зарядное устройство для быстрой зарядки аккумуляторных батарей детских электромобилей. Судя по наклейке на корпусе оно должно заряжать аккумулятор до 14,5 Вольт током 4 Ампер, питаясь от сети переменного тока напряжением 100-240 Вольт частоты 50/60 Герц, и потребляя при этом мощность до 58 Ватт:

Это довольно высокие значения с учётом того, что предназначено оно для зарядки аккумуляторов с ёмкостью до 8 А·ч, и максимально допустимый зарядный ток для таких батарей составляет 2-2,5 Ампер.

Зарядное устройство моноблочного типа «вилка на корпусе» и имеет сетевой разъём европейского стандарта:

Возле места расположения индикаторных светодиодов передняя часть корпуса имеет вентиляционные щели, которые были деформированы при эксплуатации в результате сильного внутреннего нагрева:

После замеров было установлено, что зарядное устройство на холостом ходу без подключённой нагрузки выдаёт постоянное напряжение почти 15 Вольт:

При этом не имеется в наличии системы отключения нагрузки по окончанию процесса, что обязательно для режима быстрой зарядки. А это нехорошо скажется на долговечности аккумулятора и с каждым циклом будет сильно уменьшать оставшийся ресурс и срок службы. Данное зарядное устройство планировалось использовать для зарядки герметичного AGM-аккумулятора фирмы «Panasonic» для которого рекомендованное напряжение буферного режима составляет 13,6-13,8 Вольт:

Было принято решение попробовать переделать зарядное устройство, так как зарядка батарей таким режимом нежелательна. Правда устройство имеет два индикаторных светодиода — красный для индикации напряжения на выходных клеммах, и зелёный для предупреждения о снижении зарядного тока ниже определённой величины и следовательно достижения на аккумуляторной батарее максимального потенциала. Но так как зарядка в таком случае не прекращается, то если вручную не отключить устройство от сети, батарея всё последующее время будет находится под высоким потенциалом, что в свою очередь вызовет газообразование в электролите и этим самым будет происходить преждевременное быстрое старение аккумулятора.

Блок зарядного устройства был разобран для изучения элементов стабилизации и/или ограничения максимального выходного напряжения и оценки возможности коррекции электрических параметров. После разборки и быстрого внешнего осмотра стало понятно, что заявленные на этикетке параметры явно завышены и блок не в состоянии долговременно обеспечивать указанный в 4 А зарядный ток и рассеивать мощность 58 Вт. Охлаждающие радиаторы на микросхеме преобразователя и на выпрямительном диоде слишком малы, даже с учётом вентиляционных щелей на верхней крышке корпуса. Также вторичная обмотка трансформатора, хоть и секционная и состоит из нескольких параллельно соединённых обмоток, всё равно суммарная площадь сечения получается маленькой для обеспечения такого большого тока:

Сразу после разборки был заменён мощный низкоомный резистор, так как старый весь обуглился и рассыпался. Вместо него был подобран и установлен самодельный проволочный резистор такого номинала, чтобы зарядный ток в начале зарядки не превышал 1,5 Ампер. Так же были удлинены выводы индикаторных светодиодов, так как они не доставали до отверстий в корпусе:

Далее нужно было освободить плату от корпуса и произвести зарисовку фрагмента стабилизирующего звена устройства. Делается это простым выниманием платы из нижней части и вытаскиванием вилки, которую удерживает небольшая пластмассовая защёлка. Не нужно ничего отпаивать, и на самом деле это оказалось очень удобным. Следует просто освободить защёлку, а вместе с ней и вилку, проводами припаянную к плате:

После освобождения платы и возможности её свободного вращения в руке, для осмотра и проведения анализа, можно зарисовать нужный участок схемы с указанием номиналов установленных радиоэлементов. Сверху платы сразу бросается в глаза интегральный стабилизатор TL431, от обвязки которого и зависит уровень выходного напряжения, а точнее его максимальное значение, так как под нагрузкой во время процесса зарядки выходное напряжение будет проседать из-за сопротивления последовательно установленного низкоомного шунта:

Получилось зарисовать и далее начертить фрагмент вторичной цепи преобразователя зарядного устройства после трансформатора. Схема является стандартной для большинства импульсных источников питания и подстройка уровня выходного напряжения не составит труда для радиолюбителя. Позиционные номера радиокомпонентов совпадают с маркировкой на плате:

Зелёным цветом выделены резисторы, от которых зависит напряжение стабилизации и максимальный ток зарядки. Резисторы R7 и R8 составляют делитель выходного напряжения для интегрального стабилизатора TL431, и от них зависит его уровень. Подбором резистора R8 можно менять это значение в некоторых пределах. А изначально обугленный резистор токового шунта, имеющий сопротивление 1 Ом и в последствии заменённый на резистор более высокого сопротивления, по всей видимости предназначен для ограничения выходного тока, а так же служит датчиком для системы определения и индикации процесса зарядки, которая в данном случае нас не интересует.

На сайте «Паяльник» имеется калькулятор для расчёта сопротивления резисторов делителя стабилизатора TL431 «TL431 калькулятор». Введя исходные данные можно легко и просто определить нужные сопротивления под определённые характеристики. Нам в данном случае легче подобрать одно из плеч делителя, а именно резистор R8, составляющий верхнее плечо и в оригинале имеющий сопротивление 23,2 кОм. Пересчитав данные калькулятором под выходное напряжение 13,8 Вольт получается значение сопротивления указанного резистора 21,3 кОм:

Но вместо того, что бы менять установленный на плате резистор, Мы поступим по другому, и к уже имеющемуся резистору параллельно установим резистор такого сопротивления, что-бы общее сопротивление двух параллельно установленных резисторов было равно необходимому, ранее рассчитанному, сопротивлению верхнего плеча. Для расчёта общего сопротивления параллельно соединённых резисторов на сайте так же имеется удобный калькулятор «Параллельное соединение резисторов». Подставив одно, имеющееся значение, и подбирая другое можно определить каким должно быть сопротивление второго, параллельно устанавливаемого резистора, для получения необходимой величины. В нашем случае это значение составило 270 кОм:

На подкорректированной схеме красным цветом отмечены внесённые изменения. Как уже ранее упоминалось, резистор шунта Мы установили с сопротивлением в два Ом, а добавленный новый резистор на 270 кОм обозначен на схеме как R new:

На самой плате устройства параллельно резистору R8 был припаян резистор с гибкими выводами на сопротивление 270 кОм, а места пайки и вся плата были тщательно зачищены спиртом:

После доработки и подключения к сети выходное напряжение без нагрузки составило 13,7 Вольт, что является в пределах нормы максимального напряжения буферного режима зарядки свинцовых аккумуляторных батарей с рабочим напряжением в 12 Вольт:

Рекомендованный зарядный ток такого режима в процессе зарядки не должен превышать 20-30% от значения ёмкости аккумулятора, и в данном случае составил примерно 1 Ампер:

В конце зарядки зажигается зелёный светодиод и зарядный ток падает до 0,1 Ампер. В таком состоянии аккумулятор можно оставить без присмотра, не опасаясь что произойдёт перезаряд и закипание электролита:

Доработка оказалась несложной и в любой момент можно вернуть прежние параметры просто отпаяв добавленный резистор. В процессе эксплуатации и продолжительной работы зарядного устройства было замечено значительное снижение температуры корпуса по сравнению с предыдущим вариантом, а весь процесс зарядки занимал примерно 8 часов. На информационной наклейке красным маркером были замазаны выходные параметры, которые уже не актуальны, а при надобности маркер легко можно стереть спиртом:

В следующих статьях будет рассмотрен многофункциональный измерительный прибор для мониторинга параметров заряда/разряда аккумуляторов и переделка обычного двенадцативольтного импульсного блока питания под зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторных батарей с добавлением в схему узла стабилизации зарядного тока и индикатора зарядки.

Источник