Как заряжаются аккумуляторы под нагрузкой

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 (PbO₂). В случае с отрицательным электродом – это порошок свинца (Pb). При заряде свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на электродах протекают следующие реакции.

Общий процесс в электрохимической системе описывается уравнением.

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.

Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
1,11	11,7	8,4	0	-7
1,12	11,76	8,54	6	-8
1,13	11,82	8,68	12,56	-9
1,14	11,88	8,84	19	-11
1,15	11,94	9	25	-13
1,16	12	9,14	31	-14
1,17	12,06	9,3	37,5	-16
1,18	12,12	9,46	44	-18
1,19	12,18	9,6	50	-24
1,2	12,24	9,74	56	-27
1,21	12,3	9,9	62,5	-32
1,22	12,36	10,06	69	-37
1,23	12,42	10,2	75	-42
1,24	12,48	10,34	81	-46
1,25	12,54	10,5	87,5	-50
1,26	12,6	10,66	94	-55
1,27	12,66	10,8	100	-60
Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия

Основной проблемой в процессе заряда свинцово-кислотного аккумулятора является неполное растворение сульфата свинца (PbSO₄). Это вещество забивает поры активной массы, в результате чего снижается площадь взаимодействия электролита с материалом электрода. Из-за этого происходит постепенная потеря ёмкости.

По мере эксплуатации аккумуляторной батареи сульфата свинца на пластинах после заряда остаётся всё больше. Процесс носит название сульфатации. Он является причиной выхода из строя большинства свинцово-кислотных аккумуляторов на транспортных средствах.

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.

Другой распространённой схемой является заряд постоянным током. Этот процесс включает в себя несколько этапов, на каждом из которых поддерживается постоянная сила тока.

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.

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.

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.

Активная масса на отрицательном электроде в никель─кадмиевых аккумуляторах представляет собой смесь порошков кадмия (Cd) и железа (Fe). У никель─металлогидридных аккумуляторов активная масса на минусовом электроде является смесью порошков железа и его окислов. В неё добавляют сернокислый никель (NiSO4) и сернистое железо (FeS).

Ниже представлены реакции, происходящие в щелочном аккумуляторе при заряде.

2Ni(OH)₂ + 2KOH + Fe(OH)₂ -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Fe

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.

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.

Поэтому процесс зарядки щелочного аккумулятора чаще всего начинается с его разряда. При этом не должно допускаться снижение напряжения на выводах элемента ниже 1 вольта. После разряда запускается процесс заряда.

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

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.
Вернуться к содержанию

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.

Материалы, используемые для производства положительного электрода, могут отличаться для различных разновидностей литиевых батарей. Чаще всего для этих целей используются литированные оксиды кобальта или никеля. Используются также литий─марганцевые шпинели.

При заряде литий─ионного аккумулятора на электродах протекают следующие реакции.

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.

Если увеличивать ток заряда выше 0,2─1*С, это не приводит к уменьшению времени процесса. В этом случае просто сокращается первый и увеличивается второй этап.

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

Источник

Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор

Данная заметка посвящена вопросу заряда аккумуляторов. И правильному подбору зарядного устройства для стационарных необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов.

Сразу должно оговориться, что есть соответствующие ГОСТы, такие, как МЭК 60896, ГОСТ 26881-86, которыми руководствуются специалисты на предприятиях в телекоммуникационных, инженерных компаниях и где все подробно описано: как проводить заряд, какие правила эксплуатации и плановой замены аккумуляторов.

Я же расскажу самые основы для частных покупателей аккумуляторных батарей как правильно их заряжать.

1. Определение режима использования аккумуляторной батареи

Параметры заряда определяются режимом использования аккумуляторной батареи. Вы, наверное, замечали, что в документации на аккумулятор и на самом корпусе аккумулятора всегда указываются константы для двух разных режимов работы.

Буферный режим

Буферный режим (STANDBY USE) – аккумулятор находится в режиме постоянного подзаряда в составе оборудования. Примеры систем с буферным режимом работы АКБ:

• источники бесперебойного питания (ИБП)
• пожарные и охранные системы
• системы аварийного освещения
• лифты

В такое оборудование уже встроена система автоматического подзаряда с оптимально настроенными параметрами. Обычно, ток заряда составляет

10 % от емкости аккумулятора. Например, для аккумулятора ETALON FORS 1207 (12 В 7 Ач) оптимальный ток заряда 0,7 А. Аккумулятор при таком режиме никогда не доводится до состояния глубокого разряда и прослужит максимально долго — при разряде аккумулятора до разумного низкого уровня, устройство отключиться и завершит аварийное питание нагрузки. АКБ ETALON FORS 1207 в таком режиме будет работать до 5 лет.

Циклический режим

Второй режим — циклический (CYCLE USE), наиболее стрессовый для аккумуляторной батареи. Это режим работы аккумуляторов в электромобилях, электролодках, электропогрузчиках и т.д. В этом режиме аккумуляторы используются и в детских электромобилях, электромотоциклах, квадроциклах, самокатах и т.д. При работе в циклическом режиме аккумулятор разряжается, потом ставится на заряд и снова разряжается. Срок службы в таком случае будет определяться не рекомендованным сроком использования, а допустимым количеством циклов заряда-разряда аккумулятора.

Свинцово-кислотные AGM аккумуляторы ETALON FORS имеют циклический ресурс до 250 циклов при разряде 100 %, и до 1200 циклов при разряде 30 %.

Именно в этом режиме актуален вопрос своевременного заряда и правильного хранения.

2. Выбор зарядного устройства для АКБ

Существует много правил и методов заряда аккумулятора, те же ГОСТы в помощь, в том числе одноступенчатые постоянным током, двухступенчатые (сначала постоянное напряжение и затем постоянный ток), комбинированные, с дозарядом и т.д. Но если вы не увлеченный инженер и речь идет о циклическом режиме использования АКБ, лучше всего заряжать аккумуляторы современными зарядными устройствами для AGM аккумуляторов, со встроенным «умным» процессором. Такие ЗУ способны самомтоятельно подбирать опримальные токи заряда и контролируют процесс заряда.

Зарядное устройство подбираем по следующим параметрам:

• подходит для стационарных аккумуляторов
• диапазон заряжаемых емкостей соответствует емкости аккумулятора (оптимальный зарядный ток 10–20 % от емкости аккумулятора. Технический максимум 30 % емкости, но не больше)
• соответствует напряжению аккумулятора (12 В или 6 В)
• наличие в комплекте поставки коннекторов для подключения к АКБ
• наличие встроенных индикаторов состояния заряда
• наличие защиты от короткого замыкания, переполюсовки, перезаряда аккумулятора
• наличие инструкции на русском языке

Примечание 1000 ВА: Подробно мы рассматривали зарядные устройства в нашей статье Как мы выбирали зарядное устройство для продаж через интернет-магазин.

3. Проверка параметров зарядного устройства

Общее правило – ток заряда и напряжение должны соответствовать указанным на корпусе аккумулятора и в техническом описании конкретной модели.

Интервал напряжений заряда в циклическом режиме всегда приводится на лицевой стороне АКБ. Для приведенного на иллюстрации аккумулятора, оно составляет 14,5–15 В. В аккумуляторах 6 В интервал напряжений этого производителя будет 7,25–7,5 В.

При выборе зарядного устройства обязательно обращайте на это внимание!

4. Периодичность заряда АКБ

Когда может возникнуть необходимость в заряде аккумулятора?

1) Перед началом использования. Введение аккумуляторов в работу должно производиться при достижении ими номинальной емкости. Приборов для определения заряда аккумулятора много, в том числе они встроены в зарядные устройства. Если аккумулятор перед началом использования разряжен, его нужно подзарядить.

Важно! Чтобы аккумулятор служил долго, его не рекомендуется разряжать более чем на 80 % номинальной емкости. Глубокий разряд, ниже 1,6 В на элемент, приводит к сульфатации и деградации пластин. Рекомендую не допускать в разряженных 12-вольтных аккумуляторах напряжения ниже 10,5 В.

2) После использования и перед хранением разряженный аккумулятор также нужно зарядить. Нельзя оставлять разряженный аккумулятор надолго, он должен храниться полностью заряженным.

3) Регулярно производить полный заряд аккумулятора в течение срока хранения, не реже 1 раза в 6 месяцев. Не забываем о естественном саморазряде 3 % в месяц! При низких или слишком высоких температурах хранения аккумулятор «садится» еще быстрее. При этом крайне желательно, чтобы за весь период хранения проводилось не более двух таких обслуживающих подзарядов.

5. Не забывайте про температурные условия заряда аккумулятора

• Параметры напряжения в технических условиях указаны для температуры в 20–25 °C.

Если заряжать аккумулятор приходится при другой температуры, то желательно вводить поправку в зарядное напряжение: учет термокомпенсации напряжения повышает срок службы аккумулятора. В бытовых условиях учесть это правило трудно, поэтому, при вожножности, заряд АКБ переносится в помещение с комнатной температурой.

• Не заряжайте принесенные с мороза аккумуляторы, дайте им отогреться в помещении несколько часов. Также нельзя заряжать и слишком нагретые АКБ.
• Практически бесполезно заряжать сильно разряженный аккумулятор — меньше 5 В для 12-тивольтового аккумулятора. При напряжении в 7 В аккуулятор иногда удается «вытянуть», но, в таком случае, не стоит рассчитывать на гарантированное восстановление емкости аккумулятора. Для 6-тивольтовых аккумуляторов приведенные значения, соответственно, делим на два.

Сколько времени нужно заряжать аккумулятор

Время заряда зависит от степени разряженности аккумулятора, напряжения и тока заряда.

Если погрузиться в теорию и расписать, какие параметры нужно учесть, чтобы правильно определить время заряда, то получится вполне качественная диссертация. Которая еще и вызовет ожесточенные споры среди профессионалов.

Поэтому, как было рекомендовано выше, выбирайте зарядное устройство по следующим правилам:

1. Напряжение зарядного устройства должно попадать в интервал напряжения циклического режима, приведенного на лицевой стороне аккумулятора.
2. Ток заряда ЗУ должен попадать в интервал от 10 до 20 % от емкости аккумулятора.
3. Зарядное устройство должно быть автоматическим.

и можете считать, что вне зависимости от разряженности аккумулятора, за ночь он зарядится полностью. При этом, если аккумулятор разряжен не полностью, то автоматическое зарядное устройство дозарядит его и перейдет в режим компенсации саморазряда без вреда для аккумулятора.

Подведем итоги:

• При использовании аккумулятора в буферном режиме, аккумулятор подзаряжается зарядным устройством входящим в состав оборудования.
• При использовании аккумулятора в циклическом режиме, понадобится зарядное устройство, подходящее по параметрам, приведенным в параграфе «Сколько времени нужно заряжать аккумулятор».
• При использовании аккумулятора в циклическом режиме, разумно не разряжать аккумулятор полностью и заряжать его как можно чаще. Это позволит увеличить срок службы аккумулятора.
• При длительном хранении, с интервалом в 6 месяцев. И не более двух раз за время хранения без использования.

Соблюдайте эти условия, и ваш аккумулятор прослужит максимально долго!

С Вами поделился знаниями
Е. Фурсенко, директор компании ETALON.

Источник