Методы заряда аккумуляторных батарей: Методы заряда АКБ

Методы заряда аккумуляторной батареи

Заряд аккумуляторных батарей можно произвести от любого источника постоянного тока при условии, что его напряжение больше, чем напряжение заряжаемой аккумуляторной батареи. Для заряда положительный вывод батареи соединяется с положительным полюсом источника тока, а отрицательныйвывод батареи — с отрицательным.  Во время процесса заряда мгновенное значение зарядного тока будет оптеделятся следующим соотношением:  Iз=(Uзу — Uб)/R, где Uзу это напряжение зарядного устройства, Uб — напряжение батареи, R — суммарное сопротивление зарядной цепи.

Из этого выражения следует, что при равенстве напряжения зарядного устройства и батареи, ток в цепи будет равен нулю.если напряжение источника больше напряжения батареи, зарядный ток будет тем больше, чем выше напряжение зарядного устройства. В случае, когда напряжение зарядного устройства меньше напряжения батареи, происходит разряд батареи.

При этом желательно, чтобы зарядное устройство, предназначенное для разряда одной 12-вольтной АКБ, имело возможность обеспечить величину зарядного напряжения до 16,0-16,5 В, в противном случае, современную необслуживаемую батарею не удастсязарядить полностью, до состояния 100% степени заряженности.

Напряжение батареи при зарядке изменяется в зависимости от температуры электролита и степени ее заряженности. Поэтому в процесе заряда желательно иметь возможность регулировки параметров зарядного процесса (тока или напряжения). Процес заряда может быть осуществлен различными режимами в зависимости от применяемых в зарядных устройствах систем регулирования напрвжения или тока.

В практике пользуются одной из двух основных  возможностей  реализации процесса заряда аккумуляторных батарей, а именно зарядом при постоянстве тока или зарядом при постоянстве напряжения. Оба этих метода равнценны с точки зрения их влияния на долговечность батареи.

 

МЕТОД №1: ЗАРЯД ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

При  этом режиме заряда сила тока в течении всего времени заряда должна оставаться неизменной. Для этого в ходе заряда необходимо менять напряжение зарядного устройства или сопротивление цепи. Большинство выпускаемых выпрямительных устройств, предназначены для заряда аккумуляторных батарей, питается от сети переменного тока и имеет либо ступенчатую, либо плавную регулировку тока. Недостатком такого способа заряда  являются необходимость регулярного (каждые 1-2 часа) контроля и регулирования величины зарядного тока, а также обильное газовыделение в конце заряда.

Величина степени заряженности перед началом заряда оценивается обычно по плотности электролитпа и вычисляется из условия соответствия снижения плотности электролита на величину 0,01 г/см3 от исходного состояния (обычно 1,27 — 1,28 г/см3) снижению на 6,25% степени заряженности батареи.

Например, при плотности электролита 1,24 г/см3 степень заряженности батареи можно считать равно 100 — [6,26 * (1,28 — 1,24)] = 100 — 25= 75%

Средний КПД зарядного процеса при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С. Коэффициен использования тока зависит от силы зарядного тока, степени заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше степень заряженности и чем ниже температура электролита. При заряде полностью разряженных батарей в нормальных условиях (при комнатной температуре) процесс заряда в первый момент идет с максимальным коэффициентом использования тока. Повышение степени заряженности и возрастание поляризации проводит к увеличению суммарного внутреннего сопротивления батареи и увеличению потерь энергии на нагреве электролита, электродов и других элементов батареи.  Кроме того, на заключительной стадии заряда ничинается вторичный процесс — электролиз воды, входящей в состав электролита.

Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита, что свидетельствует о завершении процеса заряда батареи. С целью снижения потерь энергии при заряде, уменьшения нагрева батареи и предохранения уровня электролита от чрезмерного снижения рекомендуется в конце процеса заряда снижать силу зарядного тока.

Для заряда при постоянном токе наиболее распространенным является режим, который состоит из двух ступеней. Первая ступень заряда производится при токе, равном 10% от номинальной емкости, до тех пор, пока напряжение на 12 В батарее не достигнет 14,4 В (2,4 В на каждом аккумуляторе). Далее сила зарядного токаснижается вдвое до величины 5% от номинальной емкости. Заряд при такой силе тока продолжается до постоянства напряжения и плотности электролита в аккумуляторах и течении двух часов. При этом в конце заряда наблядается бурное выделение газа, приводящее к кипению электролита.

Понижение силы тока в конце заряда позволяет уменьшить влияние перегрева на последующую работоспособность и срок службы батареи, уменьшить потери воды, а также обеспечить полноту заряда. Поэтому, для заряда современных необслуживаемых батарей без отверстий  для доливки воды рекомендуется после достижения 15,0 В еще раз уменьшить ток заряда в два раза до значения 2,5 % от емкости, и при такой силе тока продолжать заряд до постоянства напряжения и плотности электролита в аккумуляторах в течении двух часов. У современных необслуживаемых батарей такое состояние наступает при напряжении 16,3 — 16,4 В и зависит от состава сплава токоотводов и чистоты электролита (при условии, что его уровень соответствует норме).

Уравнительный заряд

Такой заряд производится при постоянной силе тока менее 10% от емкости батареи (обычно 3-5%) в течение несколько большего времени, чем при обычном заряде. Его цель — обеспечить полное восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов. Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов и рекомендуется как мера, устранаящаянараста.щую сульфатацию электродов, вызванную длительной эксплуатацией АКБ при заряженности менее 70%. Заряд продолжается до тех пор, пока во всех аккумуляторах батареи не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжение в течении трех часов.

Форсированный заряд

При необходимости в короткое время восстановить работоспособность глубоко разряженной аккумуляторной батареи применяют данный способ. Такой заряд может производиться токами величиной до 70% от номинальной емкости, но в течении короткого времени. Время заряда тем меньше, чем больше величина зарядного тока. Практически при заряде током 70% от емкости продолжительность заряда не должна быть более 30 минут, при 50% около 45 минут, а при 30% около 90 минут.

В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита при достижении 45С прервать заряд. Следует отметить, что применение форсированного заряда должно быть исключением, так  как его систематическое многократное повторение для одной и той же аккмуляторной батареи сокращает ее срок службы.

МЕТОД №2: ЗАРЯД ПОСТОЯННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

При этом способе в течении всего времени заряда поддерживается постоянное напряжение зарядного устройства. В результате, зарядный ток убывает в процесе заряда по причине увеличения внуреннего сопротивления батареи. В первый момент после включения сила зарядного тока определяется слудующими факторами: выходным напряжением источника питания, степенью заряженности батареи и количеством последовательно включенных батарей, а также температурой электролита батареи. Если в схеме зарядного устройства не предусмотрены специальные схемные решения для ограничения первоначального тока, то при достаточной мощности устройства сила зарядного тока в начальный момент заряда может достич величин 100-150% от номинальной емкости.

Для исправных, но разряженных батарей такие токи не принесут вредных последствий. Однако для обеспечения безопасности и снижения стоимости зарядных устройств применяются схемы решения, которые ограничивают величину зарядного тока в начале процеса заряда до 25 — 30А.

При заряде таким методом степень заряженности АКБ в конце заряда напрямую зависит от величины зарядного напряжения, которое обеспечивает зарядное устройство. Так, например, при напряжении 14,4 В после 24 часов непрерывного заряда степень заряженности АКБ, которая до начала заряда была полностью разряжена, составит около 70 — 80%, при напряжении 15 В - 85 — 90%, а при напряжении 16,0 В — 95 — 97%. Для полного заряда предварительно разряженной АКБ в течение суток необходимо напряжение зарядного устройства 16,3 — 16,4 В.

Несмотря на большие токи, в начальный момент зарядного процесса общая продолжительность полного заряда батарей примерно соответсвует режиму при постоянстве тока. По мере повышения степени заряженности напряжение на выводах АКБ постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, следовательно, ток заряда уменьшается. Заключительный этап заряда при постоянственапряжения происходит при достаточно малой силе тока. Если величина зарядного напряжения выпрямитея ниже величины начала газовыделения, то в конце заряда при приближении значения тока к нулю еще не происходит газовыделение.

И хотя степень заряженности при таком заряде будет не более 80%, заряд по такой методике в ряде случаев предпочтителен, так как он обеспечивает более быстрое доведение батареи до состояния, позволяющего обеспечить пуск двигателя. Кроме того, энергия, сообщаемая на начальном этапе заряда, расходуется преимущественно на основой зарядный процесс, то есть на восстановление активной массы электродов. При этом процесс газообразования в аккумуляторе еще невозможен.

Однако для удовлетворительного (на 90-95%) востановления степени заряженности современных после глубоких разрядов такие зарядные устройства, имеющие максимальное зарядное напряжение, равное 14,4 +/- 0,1 В, непригодны.

При реальной эксплуатации АКБ заряд от генератора осуществляется в режиме постоянного напряжения, величина которого определяется регулятором напряжения. Производители автомобилей по согласованию с производителями АКБ  установили уровень зарядного напряжения, обеспечиваемый регулятором, равным 14,1+/- 0,1В, что ниже напряжения интенстивного газовыделения.

В летнее время такое значение зарядного напряжения позволяет поддержать степень заряженности АКБ близкой к 100% и избегать перезаряда, даже при достаточно высокой  температуре окружающей среды (30-35С). При снижении температуры эффективность заряда при постоянном напряжении регулятора уменьшается вследствии повышения внутреннего сопротивления батареи. Поэтому на автомобиле не всегда полностью восстанавливают свою емкость, особенно после глубокого разряда. Поэтому зимой средняя степень заряженности АКБ составляет 70 — 75%, если напряжение на ее клеммах составляет 13,9 — 14,3 В при работающем двигателе.

При эксплуатации в процесе движения в городском цикле АКБ подвергается работе в циклическом режиме чередующихся кратковременных разрядов во время остановок (например, на перекрестках при пропуске транспорта или пешеходов) и зарядов во время интенсивной работы двигателя при разгоне и движении с постоянной скоростью. Величина поляризационного сопротивления АКБ при таком режиме работы значительно ниже, чем при постоянном заряде в станционных условиях. Поэтому эффективность заряда в циклическом режиме при более низком напряжении сопоставима с эффективностью заряда при напряжении начала газовыделения в условиях стационарного заряда, то есть при более высоком его значении.

И тем не менее зимой, при низких температурах (ниже минус 15С), требующих более длительного заряда повышенной мощностью для пуска двигателя, в условиях коротких пробегов и частых пусков, целесообразно переодически, желательного не реже одного раза в месяц , производить оценку состояния заряженности АКБ и при необходимости заряд от стационарного усторйства при положительной температуре.

Методы заряда аккумуляторных батарей AGM VRLA

Методы заряда аккумуляторных батарей AGM VRLA

Герметизированные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи АКБ технологии AGM, находят применение в различных системах во множестве отраслей и окружающих нас устройствах. Автомобильные аккумуляторы, аккумуляторы для систем бесперебойного электропитания ИБП, аккумуляторные батареи для систем электропитания на солнечных батареях, аккумуляторные батареи для медицинского оборудования и лабораторных приборов и др. Трудно представить себе автономное электропитание без аккумуляторных батарей АКБ. Чтобы обеспечить длительную и надежную работу АКБ необходимо зарядное устройство ЗУ. Выбирая зарядное устройство ЗУ, для различных типов АКБ, необходимо учитывать режимы работы аккумулятора, условия эксплуатации, обеспечить температурную компенсацию при заряде, правильно выбрать метод заряда. Правильное и своевременное обслуживание АКБ, влияет на продолжительность службы аккумуляторной батареи. Существуют различные методы заряда аккумуляторных батарей AGM, которые определяются способом их применения. Можно выделить следующие способы применения герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и методы их заряда: Способы применения и методы заряда аккумуляторных батарей AGM № п/п Способ применения аккумуляторной батареи Метод заряда аккумуляторной батареи 1 Основной источник питания (циклический режим) Стандартный заряд (нормальный режим заряда) — нормальный режим заряда постоянным напряжением. Такой метод позволяет наиболее эффективно использовать батарею. Метод заряда постоянным напряжением. При таком методе заряда на клеммы АКБ подается постоянное напряжение 2,45В на элемент при комнатной температуре 20С…25С, заряд завершается, когда ток заряда остается постоянным в течении трех часов. При таком методе заряда необходимо точно контролировать значение напряжения заряда и времени заряда. Контроль напряжения и времени заряда необходимы, чтобы избежать перезаряда АКБ. Так, при перезаряде в герметизированных свинцово-кислотных батареях, происходит разложение воды в электролите с выделением газообразных кислорода и водорода. «Лишние» газы выводятся из батареи. Количество полезного электролита уменьшается, реакции заряд/разряд снижают свою эффективность, что приводит к уменьшению срока службы аккумулятора и ухудшению рабочих характеристик. Метод заряда постоянным напряжением с ограничением начального тока заряда. При таком методе заряда производится контроль постоянного напряжения 2,45В на элемент и величины тока заряда на уровне 0,4С (40% от емкости АКБ в Ачас.) при температуре 20С…25С. При этом время заряда аккумулятора может быть 6…12 часов, в зависимости от скорости заряда батареи (см. рис .1) Быстрый заряд— для зарядки аккумулятора в таком режиме необходимо выполнить следующие условия: Заряд должен быть достаточным и осуществляться за короткое время для полного восполнения потерь при разряде. Ток заряда должен регулироваться автоматически, чтобы избежать перезаряда. Аккумулятор заряжается при температуре окружающей среды 0С…+40С. Если АКБ используются в циклическом режиме, то не стоит часто использовать быстрый режим заряда, чтобы срок службы аккумулятора не уменьшался. Метод управления зарядом с двумя значениями постоянного напряжения. При таком методе используются два источника постоянного напряжения (см. рис.3). На начальной стадии (см. рис.2) АКБ заряжается от первого источника постоянного напряжения с повышенным выходным напряжением SW(1) (значение для заряда в циклическом режиме). Когда ток заряда, величина которого определяется с помощью «цепи определения тока», уменьшается до установленного значения, происходит переключение на второй источник питания SW (2) с низким значением установленного напряжения (значение для заряда в режиме постоянного подзаряда). Преимущества такого метода в том, что батарея, находящаяся в режиме постоянного подзаряда, заряжается за сравнительно короткое время. 2 Резервный источник питания(буферный режим) Буферный заряд— метод резервного/вспомогательного источника питания (режим постоянного подзаряда). В этом режиме нагрузка питается от источника переменного тока. Режим резервного/ вспомогательного питания применяется для поддержания батареи в таком состоянии, чтобы она могла подавать питание на нагрузку в случае пропадания основного питания системы (см. рис. 4).   Метод компенсирующего подзаряда В этом режиме аккумулятор отключен от нагрузки и заряжается малым током, для компенсации саморазряда. В случае пропадания основного питания нагрузки, АКБ автоматически подключается, и питание подается от аккумулятора. Такой режим заряда АКБ используется в запасных источниках питания для аварийного оборудования. Используя такой метод заряда, следует очень внимательно отнестись к контролю напряжения заряда, т.к. батарея заряжается продолжительное время, и изменение напряжения может привести к  значительному снижению срока службы АКБ. Зарядные характеристики аккумулятора зависят от температуры, поэтому, используя такой метод заряда, необходима компенсация температурных перепадов во время заряда. Система заряда и АКБ, должны находиться в одном помещении при одинаковой температуре. Подзаряд – метод постоянного подзаряда см. рис.5. В представленной модели, ток на выходе выпрямителя Iо выражается формулой: Iо = Iз + Iн, где Iз — ток заряда Iн — ток нагрузки. Метод постоянного подзаряда  — в этом режиме батарея АКБ и нагрузка соединены параллельно с выходом выпрямителя, который обеспечивает выходное постоянное напряжение и ток. Выходной ток выпрямителя – это сумма тока заряда АКБ и тока нагрузки (см. рис. 5). Т.к. в большинстве случает ток нагрузки – это переменная величина, то следует соблюдать условия заряда АКБ. Система заряда для этого метода должна иметь выходную мощность большую той, которая является достаточной только для нагрузки. Обычно эта мощность выбирается как сумма мощности для нормальной нагрузки и мощности для обеспечения заряда аккумуляторной батареи.   Рис.1 — Характеристики постоянного напряжения при ограничении тока заряда   Рис. 2 — Зарядные характеристики зарядного устройства с двумя значениями постоянного напряжения (двухступенчатый заряд) Рис. 3 — Блок-схема зарядного устройства при методе с двумя значениями постоянного напряжения Рис. 4 — Модель системы с компенсирующим зарядом В представленной модели, ток на выходе выпрямителя Iо выражается формулой: Iо = Iз + Iн, где Iз — ток заряда Iн — ток нагрузки Рис. 5 — Модель системы с постоянным зарядом Если взять два зарядных устройства одного производителя и одинакового наименования, то даже при одинаково установленном выходном напряжении время заряда изменяется в зависимости от выходных вольтамперных характеристик каждого зарядного устройства ЗУ. Поэтому, чтобы полностью завершить заряд аккумулятора потребуется время, которое зависит от глубины разряда, характеристик зарядного устройства, окружающей температуры. В общем случае для циклического режима время заряда можно оценить по формуле: При токе заряда 0,25С или больше                   tз = Cp/Iзн+(3…5)  [час.] При токе заряда 0,25С или меньше                   tз = Cp/Iзн+(6…10)  [час.],  где tз– необходимое время для заряда, [час.] Cp– величина емкости отобранной от АКБ до начала заряда [Ачас.] Iзн– начальный ток заряда Напряжение заряда аккумулятора должно меняться при изменении окружающей температуры вблизи батареи. Основная задача температурной компенсации при заряде – обеспечить достаточный заряд АКБ и исключить тепловой разгон аккумулятора. Заряжать аккумуляторы рекомендуется в температурном диапазоне от 0 град. С…до +40 градусов Цельсия. Оптимальным температурным режимом заряда считается температура от +5 град. С до +35 град. С. Заряд при температуре ниже 0 град. С и выше +40 град. С не рекомендуется производителями аккумуляторных батарей, т.к. при высоких температурах АКБ может деформироваться, а при низких неправильно зарядиться. На рисунке 6 показаны графики температурной компенсации напряжения заряда для циклического и буферного режимов работы аккумуляторных батарей AGM. Как видно из графика при температуре +20 град. С, в циклическом режиме напряжение заряда на ячейку находится в пределах 2,45В…2,5В, а для буферного режима в пределах 2,28В…2,31В.                             Рис. 6 – Температурная компенсация напряжения заряда Соотношения величины стандартного (типового) напряжения заряда и температуры № п/п Режим работы аккумуляторной батареи АКБ Номинальное напряжение батареи 0 град. С 20 град. С 40 град. С 1 Циклический режим 6В/12В 7,7В/15,4В 7,4В/14,7В 7,1В/14,2В 2 Буферный режим 6В/12В 7,1В/14,1В 6,8В/13,7В 6,7В/13,4В   Выбирая зарядное устройство и метод заряда для аккумуляторной батареи AGM, уточните в описании зарядные/разрядные характеристики и срок службы свинцово-кислотного аккумулятора. Правильно выбранный метод и условия заряда важны для безопасного использования свинцово-кислотных аккумуляторов и его разрядных характеристик. При использовании АКБ с технологией AGM в циклическом режиме, стоит правильно заряжать аккумулятор, используя зарядное устройство с автоматическим отсчетом времени заряда. Такое зарядное устройство предотвратит недозаряд и/или перезаряд, которые могут привести к ухудшению характеристик заряжаемых аккумуляторов АКБ с технологией AGM, в том числе и автомобильных аккумуляторов. Заряжать аккумулятор следует полностью, без прерывания цикла заряда. Прерывание заряда может привести к сокращению срока службы аккумуляторной батареи АКБ. Полностью заряженную батарею АКБ не следует заряжать, так как это может привести к ее перезаряду и, как следствие, к сокращению срока службы и/или порче. При использовании АКБ с технологией AGM в циклическом режиме, заряд аккумулятора производят не более 24 часов. Более длительное время заряда может привести к порче аккумулятора (для буферного режима требуется от 24 до 48 часов). При использовании циклического режима для герметичной необслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи избегайте заряда двух и/или более аккумуляторов подключенных параллельно, т.к. нарушенный баланс заряд/разряд у разных АКБ может сократить срок службы аккумуляторов.   Представленные решения носят ознакомительный характер и для каждого конкретного случая должны проверяться инженером проектировщиком. Сделать заказ можно через раздел «Обратная связь», отправить запрос на электронную почту (см. раздел «Контакты») или позвонить по телефону: +7 (967) 097-51-65.   Перейти в раздел «АКБ Casil» Перейти в раздел «АКБ Minamoto» Перейти в раздел «АКБ Panasonic» Перейти в раздел «Контакты»   Вернуться на «Главную страницу»

Методы зарядки литий-ионных аккумуляторов

Для большинства электронных продуктов, работающих от аккумуляторов, предпочтительным типом аккумулятора является литий-ионный аккумулятор. Узнайте, что нужно для их правильной зарядки.

Литий-ионный аккумулятор чаще всего используется в бытовой электронике. Из других типов, которые использовались ранее, никель-кадмиевые батареи для использования в электронном оборудовании были запрещены в ЕС, поэтому общий спрос на эти типы упал.

NiMH аккумуляторы все еще используются, но их более низкая плотность энергии и соотношение цены и качества делают их непривлекательными.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Содержание

Работа и конструкция литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи считаются вторичными батареями , то есть они перезаряжаемые. Наиболее распространенный тип состоит из анода, выполненного из графитового слоя, нанесенного на медную подложку, или токосъемника, и катода, покрытого литий-кобальтовым оксидом, на алюминиевой подложке.

Сепаратор обычно представляет собой тонкую полиэтиленовую или полипропиленовую пленку, которая электрически разделяет два электрода, но позволяет проходить через нее ионам лития. Такое расположение показано на рис. 1.

Также используются различные другие типы анодных и катодных материалов, названия наиболее распространенных катодов обычно соответствуют описанию типа батареи.

Таким образом, катодные элементы из оксида лития-кобальта известны как элементы LCO. Типы оксида лития, никеля, марганца и кобальта называются типами NMC, а элементы с катодами из литий-железо-фосфата известны как элементы LFP.

Рисунок 1 – Основные компоненты типичного литий-ионного элемента

В реальном литий-ионном элементе эти слои обычно плотно намотаны друг на друга, а электролита, хотя и жидкого, едва хватает для смачивания электродов , внутри не плещется жидкость.

Такое расположение показано на рис. 2, на котором изображена реальная внутренняя конструкция призматической или прямоугольной металлической ячейки. Другими популярными типами корпусов являются цилиндрические и мешочные (обычно называемые полимерными ячейками).

На этом рисунке не показаны металлические выступы, прикрепленные к каждому токосъемнику. Эти вкладки представляют собой электрические соединения с аккумулятором, по сути, клеммы аккумулятора.

Рисунок 2 – Типичная внутренняя конструкция призматического литий-ионного элемента

Зарядка литий-ионного элемента включает использование внешнего источника энергии для перемещения положительно заряженных ионов лития от катода к анодному электроду. Таким образом, катод становится отрицательно заряженным, а анод – положительно заряженным.

Внешне зарядка включает движение электронов со стороны анода к источнику зарядки, и такое же количество электронов выталкивается на катод. Это направление противоположно внутреннему потоку литий-ионов.

Во время разрядки к клеммам аккумулятора подключается внешняя нагрузка. Ионы лития, которые были сохранены в аноде, возвращаются к катоду. Внешне это связано с движением электронов от катода к аноду. Таким образом, через нагрузку протекает электрический ток.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Вкратце, то, что происходит внутри элемента во время зарядки, например, заключается в том, что на стороне катода оксид лития-кобальта отдает часть своих ионов лития, превращаясь в соединение с меньшим содержанием лития, которое все еще химически стабильно.

Со стороны анода эти ионы лития внедряются или интеркалируют в междоузлиях молекулярной решетки графита.

Во время зарядки и разрядки необходимо учитывать несколько факторов. Внутри литий-ионы должны пересекать несколько интерфейсов во время зарядки и разрядки. Например, во время зарядки ионы лития должны транспортироваться из объема катода к катоду и границе электролита.

Оттуда он должен пройти через электролит, через сепаратор к границе электролит-анод. Наконец, он должен диффундировать от этой границы к объему материала анода.

Скорость переноса заряда через каждую из этих различных сред определяется ее ионной подвижностью. На это, в свою очередь, влияют такие факторы, как температура и концентрация ионов.

На практике это означает, что во время зарядки и разрядки необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы не допустить превышения этих ограничений.

Рекомендации по зарядке литий-ионных аккумуляторов

Для зарядки литий-ионных аккумуляторов требуется специальный алгоритм зарядки. Это осуществляется в несколько этапов, описанных ниже:

Непрерывная зарядка (предварительная зарядка)

Если уровень заряда батареи очень низкий, то она заряжается сниженным постоянным током, который обычно составляет около 1/10 полной скорости зарядки, описанной далее.

В течение этого времени напряжение батареи увеличивается, и когда оно достигает заданного порога, скорость заряда увеличивается до полной скорости заряда.

Обратите внимание, что некоторые зарядные устройства разбивают этот этап непрерывной подзарядки на две стадии: предварительная зарядка и кратковременная подзарядка, в зависимости от того, насколько низким было первоначальное напряжение батареи.

Полная зарядка

Если напряжение батареи изначально достаточно высокое или если батарея была заряжена до этого момента, то инициируется этап полной зарядки.

Это также этап зарядки постоянным током, и на этом этапе напряжение батареи продолжает медленно расти.

Постепенная зарядка

Когда напряжение батареи достигает максимального напряжения заряда, начинается этап постепенной зарядки. На этом этапе зарядное напряжение поддерживается постоянным.

Это важно, так как литий-ионные аккумуляторы могут катастрофически выйти из строя, если их зарядить при более высоком напряжении, чем их максимальное напряжение. Если это зарядное напряжение поддерживается постоянным на этом максимальном значении, то зарядный ток будет медленно уменьшаться.

Отключение/прекращение

Когда зарядный ток снижается до достаточно низкого значения, зарядное устройство отключается от аккумулятора. Это значение обычно составляет 1/10 или 1/20 полного зарядного тока.

Важно не заряжать литий-ионные аккумуляторы в режиме плавающего заряда, так как это снизит производительность и надежность аккумулятора в долгосрочной перспективе.

Хотя в предыдущем разделе описаны различные этапы зарядки, конкретные пороговые значения для различных этапов не указаны. Начиная с напряжения, каждый тип литий-ионного аккумулятора имеет свое собственное напряжение на клеммах полного заряда.

Для наиболее распространенных типов LCO и NCM это 4,20 В. Есть также модели с 4,35 В и 4,45 В.

Для типов LFP это 3,65 В. Пороговое значение непрерывного заряда до полного заряда составляет около 3,0 и 2,6 для типов LCO/NMC и LFP соответственно.

Зарядное устройство, предназначенное для зарядки литий-ионных аккумуляторов одного типа, например LCO, нельзя использовать для зарядки другого типа, например аккумулятора LFP.

Обратите внимание, однако, что существуют зарядные устройства, которые можно настроить для зарядки нескольких типов. Как правило, они требуют различных номиналов компонентов в конструкции зарядного устройства для каждого типа аккумуляторов.

Что касается зарядного тока, требуется небольшое пояснение. Емкость литий-ионного аккумулятора традиционно указывается как мАч, или миллиампер-час, или Ач. Эта единица сама по себе на самом деле не является единицей емкости накопления энергии. Чтобы получить фактическую энергоемкость, необходимо учитывать напряжение батареи.

На рис. 3 показана типичная кривая разряда литий-ионной батареи типа LCO. Поскольку напряжение разряда имеет наклон, среднее напряжение батареи на всей кривой разряда принимается за напряжение батареи.

Обычно это значение составляет от 3,7 до 3,85 В для типов LCO и 2,6 В для типов LFP. Умножение значения мАч на среднее напряжение батареи дает мВтч или емкость аккумулятора для данной батареи.

Ток заряда аккумулятора выражается в C-скорости, где 1C численно соответствует емкости аккумулятора в мА. Таким образом, батарея емкостью 1000 мАч имеет значение C, равное 1000 мА. По разным причинам максимально допустимая скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов обычно составляет от 0,5C до 1C для типов LCO и 3C и выше для типов LFP.

Батарея может, конечно, состоять как минимум из одной ячейки, но может состоять из многих ячеек в виде комбинации последовательно соединенных групп параллельно соединенных ячеек.

Приведенный выше сценарий относится к одноэлементным батареям. В случаях, когда батарея состоит из нескольких элементов, зарядное напряжение и зарядный ток должны быть согласованы.

Таким образом, зарядное напряжение умножается на количество последовательно соединенных элементов или группы элементов и, аналогично, зарядный ток умножается на число параллельно соединенных элементов в каждой последовательно соединенной группе.

Рисунок 3 – Типичная кривая разряда батареи типа LCO

Одним очень важным дополнительным фактором, который необходимо учитывать при зарядке литий-ионных батарей, является температура. Литий-ионные аккумуляторы нельзя заряжать при низких или высоких температурах.

При низких температурах ионы лития движутся медленно. Это может привести к скоплению ионов лития на поверхности анода, где они в конечном итоге превратятся в металлический литий. Поскольку это образование металлического лития принимает форму дендритов, оно может пробить сепаратор, вызывая внутренние короткие замыкания.

В верхней части температурного диапазона проблема заключается в избыточном выделении тепла. Зарядка аккумулятора не на 100% эффективна, и во время зарядки выделяется тепло. Если внутренняя температура активной зоны становится слишком высокой, электролит может частично разлагаться и превращаться в газообразные побочные продукты. Это вызывает необратимое снижение емкости аккумулятора, а также вздутие.

Типичный диапазон температур для зарядки литий-ионных аккумуляторов составляет от 0°C до 45°C для высококачественных аккумуляторов или от 8°C до 45°C для более дешевых аккумуляторов. Некоторые батареи также допускают зарядку при более высоких температурах, примерно до 60°C, но с меньшей скоростью зарядки.

Все эти соображения обычно выполняются с помощью специальных микросхем зарядного устройства, и настоятельно рекомендуется использовать такие микросхемы независимо от фактического источника зарядки.

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов можно разделить на две основные категории: линейные и импульсные зарядные устройства. Оба типа могут соответствовать ранее заявленным требованиям относительно надлежащей зарядки литий-ионных аккумуляторов. Однако каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Преимуществом линейного зарядного устройства является его относительная простота. Однако его главный недостаток — неэффективность. Например, если напряжение питания 5 В, напряжение аккумулятора 3 В, а зарядный ток 1 А, линейное зарядное устройство будет рассеивать 2 Вт.

Если это зарядное устройство встроено в продукт, то придется рассеивать много тепла. Именно поэтому линейные зарядные устройства в основном используются в тех случаях, когда максимальный зарядный ток составляет около 1А.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Для больших аккумуляторов предпочтительны импульсные зарядные устройства. В некоторых случаях они могут иметь уровень эффективности до 90%. Недостатками являются его более высокая стоимость и несколько большие требования к площади схемы из-за использования катушек индуктивности в его конструкции.

Рассмотрение источника зарядки

Для разных приложений могут потребоваться разные источники зарядки. Например, это может быть обычный адаптер переменного тока с выходом постоянного тока или блок питания. Это также может быть порт USB от настольного компьютера или подобных устройств. Это также может быть из-за сборки солнечной панели.

Из-за возможностей передачи энергии от этих различных источников необходимо дополнительно рассмотреть конструкцию фактической схемы зарядного устройства, помимо простого выбора линейного или импульсного зарядного устройства.

Самый простой случай — это когда источник зарядки обеспечивает регулируемый выход постоянного тока, такой как адаптер переменного тока или блок питания. Единственным требованием является выбор зарядного тока, который не превышает максимальную скорость зарядки аккумулятора или мощность источника питания.

Зарядка от источника USB требует немного большего внимания. Если порт USB относится к типу USB 2. 0, то он будет соответствовать стандарту USB для зарядки аккумуляторов 1.2 или BC 1.2.

Это требует, чтобы любая нагрузка, в данном случае зарядное устройство, не потребляла более 100 мА, если только нагрузка не пронумерована с источником. При этом допускается брать 500мА на 5В.

Если USB-порт — USB 3.1, то он может следовать USB BC1.2, или в конструкцию может быть включена активная схема контроллера для согласования большей мощности в соответствии с протоколом USB Power Delivery или USB PD.

Солнечные батареи в качестве источника зарядки представляют собой еще один набор проблем. Напряжение-ток солнечного элемента, или VI, чем-то похож на обычный диод. Обычный диод не будет проводить заметный ток ниже своего минимального значения прямого напряжения, а затем может пропускать гораздо больший ток лишь при небольшом увеличении прямого напряжения.

Солнечная батарея, с другой стороны, может обеспечивать ток до определенного максимума при относительно стабильном напряжении. За пределами этого значения тока напряжение резко падает.

Таким образом, солнечное зарядное устройство должно иметь схему управления питанием, которая модулирует ток, потребляемый солнечным элементом, чтобы не вызвать слишком низкое выходное напряжение.

К счастью, существуют микросхемы, такие как TI BQ2407x, BQ24295 и другие, которые могут поддерживать один или несколько из перечисленных выше источников.

Настоятельно рекомендуется потратить время на поиск подходящего зарядного чипа, а не разрабатывать зарядное устройство с нуля.

Другой контент, который может вам понравиться:

5 5 голосов

Рейтинг статьи

Power Rite® | Методы зарядки и применение аккумуляторов SLA

Power Rite® | Методы зарядки и применение аккумуляторов SLA

• Дом
•  
• Общая информация
•  
• Продукты
•  
• Свяжитесь с нами
•  

• Дом
• Общая информация
• Методы зарядки и применение аккумуляторов SLA

Способ зарядки	Нормальная зарядка в 6 и более часы; Контроль постоянного напряжения	Постоянная двухступенчатая контроль напряжения	Константа Текущий контроль
Циклическое использование	Управляющее напряжение от 7,25 до 7,45 В/батарея 6 В от 14,5 до 14,9 В/12 В начальный ток батареи 0,4CA или меньше.
Капельное использование	Управляющее напряжение Батарея от 6,8 до 6,9/6 В Батарея от 13,6 до 13,8 В/12 В	Начальная зарядка током ок. 0,15CA, а затем напряжение переключения на подзарядку
Использование с поплавком	Управляющее напряжение Батарея от 6,8 до 6,9/6 В Батарея от 13,6 до 13,8 В/12 В Плавающая зарядка компенсирует колебания нагрузки.
Обновление заряда (дополнительный заряд)*	При одновременной зарядке двух и более аккумуляторов выбирайте только те, которые были оставлены под такое же состояние.		Зарядка током ок. 0.1CA
Пример применения	Общего назначения, Сотовые телефоны (телефоны-сумки), ИБП, Фонари, Электроинструменты.	Медицинское оборудование, Персональные радиостанции

Примечание: Величина перезарядки (вспомогательной) должна составлять от 120% до 130% от суммы саморазряда. Для получения подробной информации пожалуйста свяжитесь с нами.

---

Меры предосторожности при зарядке

1. (A) при зарядке постоянным напряжением (циклическое использование): начальный ток должен быть 0,3CA или меньше (C: номинальный емкость)
   (B) в системе управления зарядом с V-образным конусом: начальный ток должно быть 0,6CA или меньше (C: номинальная емкость)
   (C) при зарядке постоянным напряжением (капельное использование): Начальный ток должен быть 0,15CA или меньше. (C: номинальная мощность)
   


2. Соотношение между стандартным значением напряжения в константе напряжение зарядки и температура приведены в таблице
   Соотношение между стандартным напряжением в постоянное напряжение зарядки и температура

		0°С	5°С	40°С
Использование цикла	4В	5.1	4,9	4,7
	6В	7,7	4,7	7,1
	8В	10,2	9,8	9,5
	12 В	15,4	14,7	14,2
Мелкое использование	4В	4,7	4,6	4,5
	6В	7,1	6,8	6,7
	8В	9,4	9. 1	8,9
	12 В	14,1	13,7	13,4

• (D) Ток разряда
  Разрядная способность батарей выражается 20-часовая ставка (номинальная мощность). Выберите аккумулятор для конкретного оборудования, чтобы разрядный ток во время использования оборудования попадает в диапазон от 1/20 от 20-часового значения ставки до 3 раз тот (от 1/20CA до 3CA): разряд сверх этого диапазон может привести к заметному уменьшению разряда емкость или сокращение количества раз повторяющиеся выделения. При разрядке батареи вне указанного диапазона, пожалуйста, проконсультируйтесь заранее.
• (E) Глубина разряда
  Глубина разряда – это состояние разряда батареи, выраженные отношением количества разрядка емкости до номинальной емкости.

Хранение

• (A) Соблюдайте следующие условия, когда аккумулятор нужно хранить.
• (1) Температура окружающей среды: от -15°C до 40°C (предпочтительно ниже 30°С).
• (2) Относительная влажность: от 25 до 85 %
• (3) Место хранения без вибрации, пыли, прямых солнечного света и влаги.


• (B) Саморазряд и повторная зарядка
• При хранении батареи постепенно теряют свою емкость из-за саморазряда, поэтому емкость после памяти меньше первоначальной емкости. Для восстановление емкости, повторный заряд/разряд несколько раз для батареи в цикле использования, продолжайте зарядка теста по мере загрузки в оборудование для от 48 до 72 часов.


• (C) Обновление заряда (вспомогательный заряд)
• Когда хранение батареи в течение 3 месяцев неизбежно или дольше, периодически подзаряжайте аккумулятор с интервалами рекомендуется в таблице ниже в зависимости от окружающей среды температура. Не храните батарею более 12 месяцев.

Хранение температура	Интервал вспомогательного заряд (обновить заряд)
Ниже 20°C	9 месяцев
от 20°C до 30°C	6 месяцев
от 30°C до 40°C	3 месяца

• (D) Остаточная емкость после хранения
• Результат проверки остаточной емкости аккумулятора который после полной зарядки остался стоять в состояние разомкнутой цепи в течение определенного периода в определенный температура окружающей среды показана на рисунке ниже. скорость саморазряда очень сильно зависит от температура окружающей среды хранилища. Чем выше температуре окружающей среды, тем меньше остаточная емкость после хранения в течение определенного периода. Скорость саморазряда почти удваивается на каждые 10°C повышения температуры хранения.

Плата температура	от 0°C до 40°C
Разгрузка	от -10°C до 60°C
Хранение	от -10°C до 40°C

Срок службы батареи

• (А) Срок службы
• Срок службы (количество циклов) батареи составляет зависит от глубины разряда в каждом цикле. чем глубже разряд, тем короче срок службы (меньшее количество циклов), обеспечивая тот же разрядный ток. Циклическая жизнь (количество циклов) аккумулятора также связано с такими факторами, как тип батареи, способ зарядки, окружающая среда температуры и периода покоя между зарядкой и увольнять. Типичные характеристики срока службы аккумулятор при различных условиях заряда/разряда показано на приведенных ниже рисунках. Эти данные типичны и тестируется в хорошо оборудованной лаборатории. Время цикла различно для каждой модели аккумулятора. Время цикла также отличается от этих данных, когда с использованием аккумуляторов в реальных условиях.

Срок службы в зависимости от глубины разряда
Характеристики срока службы в цикле при постоянном напряжении Характеристики срока службы в цикле быстрой зарядки

• (B) Непрерывный (плавающий) срок службы температурный режим оборудования в какой аккумулятор используется. А также связанные с тип аккумулятора, напряжение заряда и разряда текущий. Соответствующие цифры показывают влияние температуры на срок службы батареи, и пример характеристик непрерывного (плавающего) срока службы батарея, и результат теста времени автономной работы в аварийная лампа.

Влияние температуры на срок службы капельного орошенияХарактеристики срока службы непрерывного орошения при 50°CХарактеристики срока службы струйного (плавающего)

Клапана (одноходового клапана)

Если внутреннее давление батареи поднимается до ненормального уровня, резиновый односторонний клапан открывается для выпуска излишков давление; таким образом, вентиляционное отверстие защищает батарею от опасности взрыва. Так как резиновый клапан мгновенно закрывающийся, клапан может выполнять свою функцию многократно, когда это необходимо.

Пример конструкции клапана Тип терминала

О батареях Power Rite

• Предлагаются все стандартные размеры от 6 В, 2,3 Ач до 12 В, 100 Ач.