Зарядка разрядка аккумуляторов режимы

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

Что означает контрольно-тренировочный цикл и как провести КТЦ АКБ в домашних условиях

Аккумуляторная батарея является важным компонентом любого современного автомобиля. С её помощью запускается двигатель, плюс можно включать разных потребителей, не заводя мотор. Тем самым питание поступает не от генератора, а от АКБ.

Но с течением времени ёмкость батареи может падать. И в какой-то момент при повороте ключа в замке зажигания ничего не происходит. Да, специалисты в автосервисе скажут, что аккумулятору пришёл конец, срок его службы закончился, и лучше приобрести новый. Причём наверняка вам подскажут, где и какой покупать.

Но не стоит делать поспешные выводы. Такая процедура как КТЦ часто позволяет реанимировать батарею. Это не 100% гарантия возвращения полной работоспособности, но отличный способ сэкономить на покупке новой АКБ. Как минимум стоит попробовать.

Почему падает заряд

У всех АКБ есть определённая ёмкость, прописанная в Ач. На легковых авто чаще всего встречаются батареи на 60-80 Ач. То есть при 60 Ач устройство может в течение 60 часов выдавать ток, сила которого составит 1 Ампер. Но это в теории.

На практике всё иначе. Как только происходит запуск мотора, заряд сильно падает. Но он компенсируется за счёт работы генератора. Не все водители ездят много и часто, а потому генератор попросту не успевает восполнить весь заряд. Доказано, что в большинстве случаев авто эксплуатируются с постоянным недозарядом.

Ёмкость может уменьшаться под воздействием разных факторов:

• плохое крепление, механические повреждения;
• проблемы в электрооборудовании;
• нарушение целостности электропроводки;
• процессы сульфатации;
• езда по городу короткими поездками;
• низкая температура окружающей среды и пр.

Поскольку большинство водителей ездят именно в таких условиях, периодически проверять состояние и заряд АКБ нужно обязательно.

Понятие о КТЦ

Теперь следует детальнее разобраться с контрольно-тренировочным циклом для АКБ, поскольку далеко не все понимают, что это такое и для чего проводится.

Используемые на автомобилях аккумуляторные батареи являются свинцово-кислотными. Они отличаются между собой конструктивными особенностями, применяемыми добавками, консистенцией используемого электролита. Поэтому различают AGM батареи, гелевые, кальциевые и пр.

Срок службы АКБ обычно указан производителем на корпусе устройства. При этом часто можно увидеть цифры в пределах 5-10 лет. Такой период кажется вполне приемлемым, поскольку перспектива менять батареи раз в 7-8 лет радует. Но заявленные сроки редко совпадают с реальными. Это обусловлено тяжёлыми условиями работы, езда с постоянным недозарядом. Этим страдают машины, эксплуатируемые в городе и проезжающие короткие дистанции. Добавьте сюда низкие температуры и халатное отношение.

Чтобы минимизировать денежные затраты на покупку новой батареи, следует сделать всё возможное для продления срока службы имеющегося аккумулятора. Для этого и предусмотрена такая процедура как КТЦ.

Контрольно-тренировочным циклом называют процедуру, которая проводится для восстановления разряженных и старых АКБ. Её смысл заключается в полном разряде и последующем заряде устройства.

КТЦ позволяет частично восстановить характеристики, улучшить работоспособность аккумулятора. На прежние 100% эффективности, как было при покупке, рассчитывать не стоит. Но дополнительные 2-3 года АКБ точно послужит.

Рекомендуемая периодичность КТЦ составляет 2 раза в год.

Зачем нужны тренировки

Не все до конца понимают, для чего проводится подобная тренировка старого или севшего автомобильного аккумулятора.

Можно выделить несколько основных причин:

• желание отложить покупку новой дорогостоящей батареи;
• увеличение срока службы используемой АКБ;
• реанимация аккумулятора, о котором забыли и нашли его через долгое время;
• восстановление характеристик уже давно эксплуатируемой батареи.

В некоторых случаях, когда батарея пролежала пару лет в гараже либо её просто забыли снять с машины, оставив на длительное хранение без скинутых клемм, удаётся восстановить АКБ, которая кажется уже приговорённой к утилизации.

Правильно проведённая тренировка старого автомобильного разряженного аккумулятора, когда выполняется заряд-разряд, позволяет сэкономить деньги автовладельцу. Плюс АКБ несколько восстановит свои характеристики, а потому двигатель будет запускаться легче даже при сильных морозах.

Последовательность процедуры КТЦ

Многие занимаются проведением КТЦ старых аккумуляторов в домашних условиях и успешно выполняют поставленные задачи.

Чтобы выполнить такую процедуру, потребуется подготовить:

• зарядное устройство;
• ареометр;
• нагрузку нужной величины;
• мультиметр.

Самостоятельная зарядка собственного автомобильного аккумулятора методом КТЦ довольно часто даёт положительный результат. Но для этого важно чётко соблюдать инструкции и придерживаться заданной последовательности.

Чтобы выполнить тренировочный цикл, то есть заряд-разряд изношенных аккумуляторов, следует обучиться работе с мультиметром.

Сама процедура включает в себя 3 этапа:

• предварительная зарядка;
• контрольный разряд;
• заряд.

Тут важно выполнить грамотно каждый этап. Если при обычном обслуживании требуется лишь разряжать батарею, то при КТЦ аккумулятора необходимо знать, до какого напряжения это делать и когда приступать к обратному действию.

Проводятся предварительные расчёты для конкретной АКБ, чтобы определить точную нагрузку.

Предварительный этап

Если вникнуть в суть и изучить все детали, то схема проведения КТЦ автомобильного аккумулятора не покажется такой уж сложной. Поэтому многие успешно делают это своими руками.

При наличии заводского зарядного устройства хорошего качества никаких проблем не возникнет. Достаточно соединить АКБ с зарядным устройством и дождаться завершения процесса.

То, до какого напряжения потребуется проводить КТЦ, зависит от конкретного аккумулятора и условий выполнения цикла. Поэтому изучите его технические характеристики.

Заряд проводится по плотности находящегося внутри электролита и по напряжению. Выполняя предварительный заряд АКБ, ориентируйтесь на следующие значения:

• Напряжение 12,72 В соответствует плотности 1,28 и говорит о 100% заряде.
• Напряжение 12,5 В говорит, что плотность 1,24, а заряд 75%.
• При 12,35 В плотность будет 1,2. При этом АКБ заряжена на 50%.
• Если 12,1 В, то плотность низкая, всего 1,16, а заряд лишь 25%.

Эти параметры, как и применение специальных формул, будут актуальными при использовании упрощённой версии зарядного устройства. Важно рассчитать точное время.

К примеру, замер плотности аэрометром показал 1,16 г/см3. То есть заряд тут 25%, а его потеря соответственно 75%. Сама батарея имеет ёмкость 60 Ач.

Для расчёта потери ёмкость следует 60 Ач умножить на 75% и поделить на 100%. Получаем 45 Ач.

Напряжение зарядного тока должно всегда составлять не более 10% от ёмкости АКБ.

Если у вас 60 Ач, то зарядный ток составит 6 А.

В итоге легко рассчитать время, необходимое для заряда. Для этого есть формула: 2 умножить на потерю ёмкости и разделить на зарядный ток.

В рассматриваемом случае это 2*45/6. Итого 15 часов для заряда.

Но расчёт примерный, поскольку всё равно требуется постоянно следить за параметрами плотности и напряжения. Как только они достигнут 1,27 г/см3 и 12,7 В соответственно, заряд будет завершён.

Как провести предварительный заряд АКБ, уже разобрались.

Разряд

Далее о том, как правильно и самостоятельно провести КТЦ для своего аккумулятора. Нужно переходить на второй этап. Теперь правильно разряжаем АКБ.

Как ни странно, но для восстановления работоспособности батареи после её заряда нужно снова полностью посадить. Только процесс разряда должен строго контролироваться.

При разряде АКБ, будь он типа АГМ, популярный гелевый, кальциевый или классический свинцово-кислотный, требуется создать электроцепь, в которой будет подключен потребитель тока, вольтметр и амперметр.

Разрядка батареи выполняется током 10-часового режима. Его величина составляет в пределах от 9 до 10 от ёмкости АКБ.

Здесь стоит заглянуть в руководство по эксплуатации либо ориентироваться по специальным таблицам. Приведём несколько примеров:

• для АКБ с 6 банками на 50 Ач разрядный ток будет 4,5 А;
• при 6 банках, но 60 Ач, это 5,4 А;
• если банок 12, а ёмкость 70, тогда используется 7 А;
• при 90 Ач нужен ток разряда 8,1 А.

Разряд выполняется соответствующей и правильно подобранной нагрузкой. Для стандартных автомобильных АКБ, ёмкость которых составляет 60 Ач, достаточно взять лампочку на 65 Вт. Рассчитать нагрузку можно по формуле, умножив разрядный ток на напряжение, составляющее 12 В.

Имея все необходимые инструменты для КТЦ АКБ, можно приступать к разряду. Параллельно важно обеспечить такие условия:

• температура электролита при старте разряда в диапазоне от 18 до 27 градусов;
• проверка температуры и напряжения проводится перед началом процесса, а затем повторяется с интервалом 2 часа;
• при падении напряжения до 1,85 В проверка делается каждые 15 мин.;
• при снижении напряжения до 1,75 В параметры контролируются постоянно;
• на значении 1,7 В разряд прекращается, нагрузка отключается.

Ни в коем случае не оставляйте АКБ разряженной. Нужно сразу же приступать к повторному заряду.

Иначе реанимировать батарею уже вряд ли получится.

Повторный заряд

Теперь просто заряжаем ранее разряженную батарею. Здесь процедура ничем не отличается от первого контрольного заряда.

Но в зависимости от того, находится в вашем распоряжении обслуживаемый или необслуживаемый аккумулятор, при контроле рабочих параметров могут возникнуть трудности. Потому лучше всего проводить заряд именно специальными, заводскими зарядными устройства с системой автоотключения.

Для обеспечения лучшего качества КТЦ процедуру заряд-разряд-заряд рекомендуется повторить 2-3 раза.

По завершению тренировки очищаются клеммы, удаляются следы электролита при их наличии.

КТЦ требует к себе повышенного внимания. На эту процедуру обычно уходит 2 дня. При этом оставлять батарею на длительное время без присмотра категорически запрещено.

Источник