По каким показаниям заряжают аккумулятор

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

Напряжение автомобильного аккумулятора: нормы, правила измерения

Напряжение с емкостью – два основных параметра автомобильного АКБ. Эти значения определяют качество функционирования элемента, поэтому водитель должен контролировать значения. Из обзора вы узнаете, какое напряжение должно быть на аккумуляторе в обычном рабочем состоянии и при повышенных нагрузках.

Общие моменты

Электродвижущая сила отвечает за нормальное прохождение тока по цепочке, дает запрограммированную разность выводных частей источника питания – то есть АКБ. Искомая величина рассчитываться будет как разница потенциалов.

Электродвижущая сила равна расходуемой на перенос заряда между выводами энергии. Значения токовых сил, напряжений связаны друг с другом неразрывным образом. Когда внутри батареи данная сила не возникает, отсутствует ток и на выводящих частях.

Когда цепные связи размыкаются, ток отсутствует, но в аккумуляторе начинает возбуждаться электродвижущая сила, в зоне выводов появляется движение.

Для измерения обеих величин используются вольты. Электродвижущая общая сила в автоаккумуляторе развивается в результате электрических и химических процессов, протекающих внутри него. ЭДС всегда больше напряжения в аккумуляторе на величину, равную падению внутреннего напряжения.

Для замеров применяются вольтметры с мультиметрами. В аккумуляторе для авто размеры ЭДС будут зависеть от плотности, температурных значений электролита.

Точных сведений по вопросу того, какое значение для батареи питания идеальное, нет. Специалисты во внимание принимают оптимальные показатели пуска для старта моторного механизма. Если АКБ новый, заряженный, данное значение должно быть 12,6–12,7 вольта.

Если напряжение заряженного аккумулятора автомобиля без нагрузки выше, это еще не указывает на наличие проблемы.

Например, сразу после зарядки АКБ ее ток при замерах будет выше на 0,5 вольта реального, и при итоговых подсчетах это нужно учитывать. 13,0–13,2 вольта – цифра, которая превышает допустимые значения напряжения, но для некоторых моделей батарей она является нормальной.

Близкие к рекомендованным значениям данные батарея показывает спустя пару часов после зарядки.

Критическим для АКБ считается 12 вольт и менее. Если значение меньше этой цифры, нужна срочная зарядка. Использовать элемент питания на ресурсном пределе нельзя, поскольку в данном случае запустится процесс сульфатации пластин. В будущем от последствий сульфатации избавиться проблематично, и придется покупать новую батарею.

При этом 12,1 вольта достаточно для старта мотора, проблемы возникают на 11,6 вольта и ниже. Это все цифры, о которых нужно знать и учитывать их во время работы. В большинстве случаев значение напряжения заряженного аккумулятора автомобиля находится на отметке в 12,2–12,5 вольта.

Таблица заряда

Чтобы не упустить момент, когда заряд батареи упадет до предельно критического уровня, используйте таблицу заряда АКБ. Если измерить U на клеммах, можно рассчитать общий заряд.

Также в таблице вы найдете значения плотности электролита, температурных значений, при которых он может замерзать зимой. Ознакомиться с основными значениями можно в таблице заряда аккумулятора автомобиля по напряжению.

Все способы проверки

Проверять напряжение аккумулятора автомобиля на степень разряженности можно разными способами. Рассмотрим их.

Мультиметром

Для проверки аккумуляторов «Акум», «Ватра» и других марок, устанавливаемых на авто «КамАЗ», «Вольво», «БМВ» удобно использовать мультиметр.

Прибор вы найдете в любом специализированном магазине, есть он на СТО. Для разовых замеров мультиметр проще одолжить, хотя большинству водителей он нужен регулярно.

Скорее всего, показания мультиметра и бортового компьютера будут различаться.

Стандартные устройства приборной панели часто ошибаются, дают незначительную погрешность, поскольку подключаются к АКБ не напрямую. Обычно отклонения идут в меньшую сторону.

При работающем моторе

Какое напряжение должно быть на заряженном аккумуляторе автомобиля, мы разобрались, теперь рассмотрим порядок измерения текущих показателей при работающем моторе.

Сначала сделайте замеры при заведенном двигателе – в норме значение должно быть в районе 13,5–14,0 вольт.

Если значение превышает 14,2 вольта, зарядка низкая, генератор будет направлять энергию на зарядку элемента питания. Чрезмерные показатели в зимнее время года в данном случае считаются нормой.

В высоком токе плохого ничего нет. Когда с электрооборудованием все в порядке, спустя 10 минут электронные части системы скинут текущие значения до стандартных максимальных 14 вольт.

При отсутствии данной реакции цифра до оптимальных величин постепенно не сбрасывается, возможен перезаряд аккумулятора. Он постоянно будет функционировать на максимальной отдаче, начнет выкипать электролит.

Когда при включенном моторе показатель составляет меньше 13,0–13,4 вольта, можно говорить об отсутствии полной зарядки. В сервис сразу не бегите, для начала измерьте показания при выключенных потребителях – это кондиционер, магнитола, фары, прикуриватель и пр.

Также резкое падение возможно в случае окисления контактов – проверьте их перед поездкой в сервис и, если нужно, зачистите шкуркой.

Другой метод проверки – при выключенных источниках потребления энергии, работающем моторе вы должны получить 13,6. Проверьте соответствие параметров, если все в норме, включите ближний свет, при этом показатель должен упасть на 0,1–0,2 вольта.

Теперь включайте в машине музыку, сплит-систему, прочие потребители энергии. Действия выполняйте постепенно, при каждом новом включении потребителя параметр должен немного падать.

При резких скачках, скорее всего, проблема в генераторной системе – он работает не на всю мощность, либо износились, загрязнились щетки.

Даже если включены все потребители энергии, показатель все равно в норме не падает ниже 13 В. Иначе батарея начнет разряжаться сильно и сядет полностью.

При отключенном моторе

Вам также потребуется для проведения работ мультиметр. Если показатель на выводах ниже 11,8 вольта, машина, скорее всего, просто не заведется, придется прикуривать ее от другого авто.

Показатель нормального уровня при отключенном моторе – 12,5–13,0 вольт. Значение 12,9 указывает на то, что АКБ заряжен примерно на 90 %, 12,5 – наполовину, 12,1 – осталось не более 10 %. Это расчеты на глаз, но многие автомобилисты пользуются ими.

Оптимально замерять напряжение непосредственно до поездки. Уровень зарядки аккумулятора указывает на его способность удерживать значения по несколько суток. Если батарея заряжена полностью, а вы не ездили неделю и больше, то параметр резко снизится. То есть константным значение не является.

С применением нагрузочной вилки

Проверка аккумулятора с применением нагрузочной вилки – точный, простой и эффективный способ проверить работоспособность батареи автомобиля. В итоге вы выясните, заряжен ли аккумулятор.

Подсоедините вилку к нужному полюсу батареи максимум на 5 секунд. Сначала должно быть в районе 12–13 вольт, после пятой секунды – больше 10 вольт, несмотря на снижение. Такой элемент питания считается полностью заряженным, может работать под разными нагрузками.

Когда показатель в ходе тестирования при проверке нагрузочной вилкой снижается до 9 вольт, АКБ неисправен, рекомендуется его замена.

В холодный сезон

Снижение температурных показателей среды вызывает изменения в номинальной плотности рабочего вещества – электролита. С учетом уровня заряда АКБ будет определяться реакция на пониженные температурные показатели.

У полностью заряженной батареи резко возрастет плотность, что вызовет резкий скачок измерений.

Когда блок питания сел, плотность понижается по причине морозов, возникают сложности при запуске мотора.

Водители совершенно ошибочно полагают, что в зимнее время АКБ дополнительно разряжается из-за низких температур воздуха. В реальности роль играет не низкая температура среды, а замедление химических процессов в элементе питания в результате морозов.

Полезные рекомендации

Рекомендации, которые пригодятся при эксплуатации, обслуживании АКБ для продления времени его работы:

• время от времени тестируйте батарею и как можно чаще (хотя бы раз в квартал) выполняйте подзарядку от сети;
• следите за исправностью генератора, проводов, функции регулировки напряжения авто для нормального заряда элемента питания во время поездок;
• замеряйте токовые утечки;
• замеряйте плотность электролитного вещества после полной зарядки, сравнивайте цифры из таблицы выше, исправляйте ситуацию, если это нужно;
• держите автоаккумулятор в чистоте, чтобы минимизировать ток утечки.

Не замыкайте выводные выходы автомобильной батареи накоротко, поскольку последствия в данном случае будут плачевными.

Заключение

Из обзора вы узнали, сколько вольт должен показывать заряженный аккумулятор и почему важно контролировать эти значения. Напряжение АКБ, как и емкость, плотность рабочего вещества, дает возможность делать выводы о рабочем состоянии элемента питания.

Первый параметр автоаккумулятора указывает на степень его заряда, показатель учитывайте для продления срока службы элемента питания. Контроль сложностей не представляет, для его выполнения применяется базовый набор инструмента.

На АКБ авто в норме параметр составляет 12,6–12,9 вольта при 100%-й зарядке. Замер значения позволяет оперативно оценивать степень заряда. При этом степень износа, текущее состояние батареи так по показателю понять невозможно.

Чтобы получить точные сведения о состоянии АКБ, проверьте ее емкость, сделайте тест, когда дадите нагрузку. Применяются разные варианты проверки работоспособности батареи, все были рассмотрены в обзоре.

Удобно пользоваться таблицей степени заряда АКБ для всех моделей авто, в которой указываются значения температуры промерзания электролита, его плотности с учетом заряда батареи.

Источник