Устройство поддержания заряда акб. Устройство для зарядки автомобильных аккумуляторов. Что и где испытывали
Капельная зарядка
Несмотря на существующее мнение, капельная зарядка никак не способствует продолжительной работе аккумуляторов. При данном способе зарядки ток не отключается даже после полной зарядки аккумулятора. По этой причине ток и выбирается малым. Даже если вся энергия, передаваемая аккумулятору, превращается в тепло, при малом токе аккумулятор не сможет достаточно нагреться. Для Ni-MH аккумуляторов, которые более негативно реагируют на перезарядку, чем Ni-Cd, ток заряда рекомендуется устанавливать максимум 0,05C. Для зарядки аккумулятора большей емкости ток капельной зарядки следует установить больше. Отсюда следует, что, аккумуляторы малой емкости нельзя заряжать в устройствах, предназначенных для заряда аккумуляторов большой емкости из-за опасности сильного нагрева и сокращения срока службы аккумулятора. Если аккумулятор большой емкости установить в зарядное устройство для аккумуляторов малой емкости, то он может не зарядиться полностью. Находясь в таких условиях долго, аккумуляторы начинают терять емкость.
К сожалению, надежно определить конец капельной зарядки невозможно. При низких токах зарядки профиль напряжения является плоским и характерный максимум в конце зарядки практически не достигается. Температура плавно растет и единственным методом является ограничение времени процесса зарядки. Но для применения данного метода необходимо помимо точной емкости аккумулятора знать величину его начального заряда. Влияние начального заряда можно исключить единственным способом – полной разрядкой аккумулятора непосредственно перед его зарядкой. А это увеличивает длительность процесса зарядки и укорачивает время работы аккумулятора, которое зависит от количества циклов заряд-разряда. Следующей проблемой при вычислении времени капельной зарядки является достаточно низкий КПД данного процесса. КПД капельной зарядки не превышает 75% и зависит от большого количества факторов (температуры аккумулятора, его состояния и т.д.). Единственное преимущество капельной зарядки – простота реализации процесса (без контроля конца зарядки). Только в последнее время производители аккумуляторов отмечают, что капельная зарядка перестала вести к уменьшению емкости современных Ni-MH аккумуляторов.
Быстрая зарядка
Большая часть производителей Ni-MH аккумуляторов указывают характеристики своих аккумуляторов в случае быстрой зарядки током 1С. Существуют рекомендации не превышать 0.75C. «Умное» зарядное устройство само должно оценивать условия и при необходимости переходить к быстрому заряду. Быстрый заряд используется только при температуре от 0 до +40°C и с напряжением от 0,8 до 1,8В. КПД быстрой зарядки составляет около 90%, поэтому аккумулятор практически не нагревается. Но в конце зарядки КПД резко уменьшается и практически вся энергия, подводимая к аккумулятору превращается в тепло. Таким образом, происходит резкий рост температуры аккумулятора и внутреннего давления. Это вызывает открытие вентиляционных отверстий и утрату части содержимого аккумулятора. Кроме того, под воздействием высокой температуры меняется внутренняя структура электродов. Поэтому быструю зарядку аккумулятора важно прекращать вовремя. К счастью, есть достаточно надежные признаки, проверяя которые зарядное устройство способно это делать.
Работа быстрого зарядного устройства состоит из следующих фаз:
- Определение наличия аккумулятора.
- Квалификация аккумулятора (qualification).
- Пред-зарядка (pre-charge).
- Переход к быстрой зарядке (ramp).
- Быстраязарядка (fast charge).
- Дозарядка (top-off charge).
- Поддерживающая зарядка (maintenance charge).
Фаза определения наличия аккумулятора
На данном этапе обычно проверяется напряжение на выводах аккумулятора. Если напряжение оказывается выше 1.8В, то это значит, что аккумулятор не подключен к зарядному устройству или поврежден. Если обнаруживается меньшее напряжение, значит аккумулятор подключен, и можно переходить к зарядке.
Во всех фазах наряду с основными действиями производится проверка наличия аккумулятора. Это связано с тем, что аккумулятор может отсутствовать в зарядном устройстве. Если это произошло, то зарядное устройство из любой фазы должно перейти к проверке наличия аккумулятора.
Фаза квалификации аккумулятора
Зарядка аккумулятора начинается с фазы его квалификации. Данная фаза нужна для предварительной оценки начального заряда аккумулятора. Когда напряжение на аккумуляторе меньше 0,8В быструю зарядку производить нельзя, требуется дополнительная фаза предварительной зарядки. Если напряжение больше 0,8В, то фаза предварительной зарядки пропускается. На практике замечено, что аккумуляторы не разряжают ниже 1,0В, и фаза пред-зарядки практически никогда не используется.
Фаза пред-зарядки
Предназначена для первоначальной зарядки серьезно разряженных аккумуляторов. Значение тока предварительной зарядки необходимо выбирать от 0,1С до 0,3C. Пред-зарядка обязательно должна быть ограничена по времени. Длительная фаза пред-зарядки не требуется, так как у рабочего аккумулятора напряжение должно достаточно быстро достигать значения в 0.8В. Если напряжение не растет, то это означает, что аккумулятор поврежден и необходимо прерывать процесс зарядки.
В длительных фазах зарядки необходимо следить за температурой аккумулятора и прекращать зарядку, когда температура достигает критического значения. Для Ni-MH аккумуляторов максимально допустимая температура составляет 50°C. Также, как и в остальных фазах, следует проверять наличие аккумулятора.
Фаза перехода к быстрой зарядке
Когда напряжение на аккумуляторе доходит до отметки 0,8В, можно переходить к быстрой зарядке. Не рекомендуется сразу использовать большой зарядный ток. Включать большой ток в начале зарядки не рекомендуется. Необходимо плавное увеличение силы тока в течении 2-4 минут до достижения заданного значения тока быстрой зарядки.
Фаза быстрой зарядки
Зарядный ток устанавливается от 0,5-1,0C. В данной фазе важным является точное определение момента ее окончания. Если фаза быстрой зарядки не будет вовремя прекращена, то аккумулятор разрушится. Поэтому для определения точного времени окончания быстрой зарядки необходимо использовать несколько независимых критериев.
Для Ni-Cd аккумуляторов обычно применяется –dV метод. Во время зарядки напряжение растет, в конце зарядки начинается уменьшение. Для Ni-Cd аккумуляторов признаком окончания зарядки является уменьшение напряжения примерно на 30мВ (для каждого аккумулятора). Метод –dV является самым быстрым и прекрасно работает даже для не полностью заряженных аккумуляторов. Если при помощи этого метода начать зарядку полностью заряженного аккумулятора, то напряжение на нем будет быстро расти, а затем резко уменьшаться, что и вызовет окончание процесса зарядки.
Для Ni-MH аккумуляторов метод работает не столь успешно, так как уменьшение напряжения для них выражается менее заметно. При зарядных токах менее 0,5C максимум напряжения, как правило, не достигается, поэтому зарядное устройство для аккумуляторов малой емкости, часто не может правильно определять окончание зарядки аккумуляторов крупной емкости.
Из-за незначительного снижения напряжения в конце зарядки необходимо повышать чувствительность, что может приводить к досрочному прекращению быстрой зарядки из-за возникающих помех, которые генерируются зарядным устройством, а также проникают из питающей сети. Именно поэтому не следует проводить зарядку аккумуляторов в автомобиле, по причине того, что бортовая сеть, как правило, имеет слишком высокий уровень помех. Аккумулятор также является источником шумов. По этой причине при измерении напряжения следует применять фильтрацию. Поэтому в процессе измерения напряжения необходимо использовать фильтрацию.
При заряде батарей последовательно соединенных аккумуляторов, когда отдельные аккумуляторы различаются по степени заряда, надежность метода –dV заметно уменьшается. В указанном случае пик напряжения разных аккумуляторов достигается в разные моменты времени, при этом профиль напряжения смазывается.
Для Ni-MH аккумуляторов также используют метод dV=0, при котором вместо снижения напряжения детектируют плато на профиле напряжения. В этом случае о конце зарядке свидетельствует постоянное напряжение на аккумуляторе в течение нескольких минут.
Несмотря на все трудности при определении конца зарядки аккумулятора методом –dV, большинством производителей Ni-MH аккумуляторов этот метод определяется как основной для быстрой зарядки. В конце зарядки током 1С напряжение должно меняться от- 12мВ до -2,5 мВ.
Сразу после подключения большого зарядного тока напряжение может испытывать флуктуации, которые могут быть определены как уменьшение напряжения в конце зарядки. Для предотвращения ложного прекращения процесса быстрой зарядки первое время (обычно 3-10 минут) после подключения зарядного тока контроль –dV необходимо отключать.
Вместе с уменьшением напряжения в конце зарядки начинается рост температуры и давления внутри аккумулятора. Таким образом, время завершения зарядки можно определить по росту температуры. Тем не менее, из-за влияния окружающей среды не рекомендуется устанавливать абсолютный температурный порог для определения момента окончания зарядки. Чаще используют не саму температуру, а скорость ее изменения. При зарядном токе в 1С зарядку необходимо завершать, когда скорость роста температуры достигает 1°C/мин. Следует отметить, что при зарядных токах менее 0,5C скорость роста температуры практически не меняется и указанный критерий использовать нельзя.
Оба рассмотренных метода вызывают незначительный перезаряд аккумулятора, что приводит к снижению срока его службы. Для обеспечения полного заряда аккумулятора, завершение процесса зарядки следует проводить с помощью малого тока и при низкой температуре аккумулятора (при повышенных температурах способность аккумуляторов принимать заряд серьезно уменьшается). Поэтому фазу быстрой зарядки советуют завершать немного раньше.
Существует так называемый inflexion метод для определения времени окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется максимум производной напряжения по времени. Быстрая зарядка прекращается в тот момент, когда скорость роста напряжения достигает максимального значения. Этот способ дает возможность завершить этап быстрой зарядки раньше, чем температура успевает значительно подняться. Этот метод требует измерения напряжения с высокой точностью и математических вычислений.
Некоторые зарядные устройства используют импульсный зарядный ток. Импульсы тока имеют длительность порядка 1с, а промежуток между импульсами – порядка 20-30 мс. Среди преимуществ этого метода можно отметить лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему и меньшую вероятность появления кристаллических образований на электродах. Точных сведений об эффективности такого метода нет, но известно что, вреда он не приносит.
В процессе определения окончания быстрого заряда аккумулятора необходимо точно измерять напряжение. Если эти измерения производить под током, то из-за сопротивления контактов будет появляться дополнительная погрешность. По этой причине на время измерения зарядный ток отключают. После выключения тока следует делать паузу 5-10 мс, пока устанавливается напряжение на аккумуляторе. Далее проводится измерение. Для качественной фильтрации помех сетевой частоты, как правило, проводится ряд последовательных выборок на интервале, величиной в один период сетевой частоты (20 мс), а затем производится цифровая фильтрация.
Был разработан еще один метод заряда импульсным током, под названием FLEX negative pulse charging или Reflex Charging. Он отличается от обычного импульсного заряда наличием импульсов разрядного тока в промежутках между импульсами тока зарядки. При импульсах тока зарядки порядка 1с длительность импульсов разрядного тока выбирается примерно 5мс. Величина разрядного тока превышает ток зарядки в 1-2,5 раз.
Из преимуществ метода следует упомянуть более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять кристаллические образования крупного размера на электродах. Корпорацией General Electric были проведены независимые исследования этого метода, которые говорят о том, что метод не приносит ни пользы, ни вреда.
Так как правильное определение окончания быстрого заряда является чрезвычайно важным, зарядное устройство должно использовать несколько методов определения конца зарядки сразу. Также, необходимо проводить проверки некоторых дополнительных условий аварийного прекращения быстрой зарядки. Во время быстрой зарядки следует контролировать температуру аккумулятора и прерывать процесс в случае достижения критического значения. Для быстрой зарядки ограничение по температуре является более жестким, чем для всего процесса зарядки. Поэтому, когда температура достигает +45°C необходимо аварийно прекращать быструю зарядку и переходить к фазе дозарядки меньшим зарядным током. Перед продолжением зарядки температура аккумулятора должна уменьшиться, так как при повышенной температуре способность аккумулятора к принятию заряда существенно снижается.
Еще одно дополнительное условие – ограничение быстрой зарядки по времени. Зная зарядный ток, емкость аккумулятора и КПД зарядки можно вычислить время, необходимое для полной зарядки. Таймер быстрой зарядки нужно устанавливать на время, превосходящее расчетное на 5-10%. Если это время зарядки закончилось, но ни один из способов определения окончания быстрой зарядки не сработал, то процесс аварийно прекращается. Подобная ситуация с большой долей вероятности свидетельствует о неисправности каналов измерения напряжения и температуры.
Фаза дозарядки
Зарядный ток устанавливается в пределах 0,1-0,3C. При токе дозарядки 0,1C производители рекомендуют производить дозарядку в течение 30мин. Проведение более длительной дозарядки приводит к перезаряду аккумулятора; емкость аккумулятора увеличивается на 5-6%, но количество циклов заряд-разряда сокращается на 10-20%. Положительным эффектом процесса дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов батареи. Те из них, которые заряжены полностью, рассеивают подводимую энергию в виде тепла одновременно с зарядкой остальных аккумуляторов. Если фаза дозарядки следует сразу после фазы быстрой зарядки, то в течение нескольких минут необходимо дать аккумуляторам остыть. С повышением температуры аккумулятора, его способность принимать заряд существенно падает. При температуре 45°C аккумулятор может принимать только 75% заряда. Поэтому процесс дозарядки, проводимый при комнатной температуре, дает возможность провести наиболее полную зарядку аккумулятора.
Фаза поддерживающей зарядки
Зарядные устройства для Ni-Cd аккумуляторов после процесса зарядки, как правило, переходят в режим капельного заряда с целью поддержания аккумулятора в состоянии полного заряда. Таким образом, температура аккумулятора все время остается повышенной, а это существенно уменьшает срок службы аккумулятора. Ni-MH аккумуляторы плохо переносят перезаряд, и поэтому для них нежелательно находиться в состоянии капельной зарядки. Необходимо использовать очень низкий ток поддерживающей зарядки, для того, чтобы только компенсировать самозаряд.
Для Ni-MH аккумуляторов саморазряд в первые 24 часа может составлять до 15% емкости аккумулятора, а затем саморазряд уменьшается и составляет 10-15% емкости аккумулятора в месяц. Для компенсации саморазряда достаточно среднего тока менее 0,005C. Некоторые устройства включают поддерживающий зарядный ток один раз в несколько часов, а в другое время аккумулятор отключен от устройства. Величина саморазряда серьезно зависит от температуры, поэтому лучший вариант – сделать поддерживающий заряд адаптивным – чтобы небольшой зарядный ток подключался только тогда, когда обнаруживалось заданное уменьшение напряжения.
Фазу поддерживающей зарядки можно не проводить, но если между зарядкой и использованием аккумулятора проходит длительное время, то перед использованием аккумулятор необходимо подзаряжать, для того, чтобы компенсировать саморазряд. Лучшим вариантом является тот, при котором зарядное устройство поддерживает полный заряд аккумуляторов.
Сверхбыстрый заряд
При заряде до 70% емкости аккумулятора КПД процесса зарядки близок к 100%. Данный показатель является предпосылкой для создания сверхбыстрых зарядных устройств. Конечно, увеличивать ток заряда до бесконечности нельзя. Существует предел, обусловленный скоростью, с которой протекают химические реакции. На практике можно использовать зарядные токи до 10C. Чтобы аккумулятор не перегревался, после достижения уровня 70% заряда ток необходимо снижать до уровня стандартной быстрой зарядки производить контроль окончания зарядки стандартным способом. Необходимо точно контролировать достижение 70% отметки заряда. Пока надежных методов для решения этой задачи нет. Проблема заключается в определении степени заряда в батарее, в которой аккумуляторы могут быть по-разному разряженными. Также проблематично подводить к аккумуляторам зарядный ток. При столь высоких зарядных токах слабый контакт может вызвать дополнительное нагревание аккумулятора вплоть до его разрушения. В случае ошибок зарядного устройства возможен даже взрыв аккумулятора.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в источниках бесперебойного питания устройств хранения информации при эксплуатации подвержены быстрому износу и преждевременному выходу из строя. Причиной является кристаллизация пластин, межэлектродные замыкания дендроидными отложениями на поверхности пластин, сульфатация.
Ёмкость и срок службы аккумуляторных батарей зависит от режима работы зарядного устройства, метода зарядки.
Прежде чем рассматривать желаемый режим заряда аккумулятора, следует проследить процесс разряда аккумулятора и причины его преждевременного выхода из строя.
Как правило разряд аккумулятора в системах бесперебойного питания в процессе эксплуатации происходит очень редко и на время в несколько минут, достаточного для вывода системы хранения данных из режима работы, для устранения сбоя. В винчестерах компьютеров за это время считывающая головка возвратится в исходное состояние, в ином случае могут быть испорчены загрузочные сектора и рабочая информация. В последующем потерянную информацию возможно частично восстановить, а полное использование жёсткого диска будет невозможным.
Отсутствие разрядной характеристики в работе аккумулятора приводит к его преждевременному выходу из строя.
Аккумуляторы в бесперебойных системах диагностируются внутренней схемой на соответствие напряжения на аккумуляторе заданным параметрам, при наличии сетевого напряжения устройство бесперебойного питания автоматически переводит питание нагрузки от сети. При потере питания сети устройство должно перейти в режим преобразования энергии аккумулятора в напряжение близкое по параметрам сетевому питанию.
Внешняя диагностика аккумулятора бесперебойного питания после эксплуатации подтверждает наличие высокого внутреннего сопротивления - ввиду высокой кристаллизации, высокий саморазряд при внутреннем замыкании пластин, вызванный сульфатацией. Высокое напряжение на электродах диагностируется внутренней схемой как полный заряд и аккумулятор далее не заряжается. Повышение напряжения заряда приводит к увеличению выделения тепла. Снижение ёмкости аккумулятора вызвано нерабочей сульфатацией поверхности пластин, ток нагрузки не в состоянии выйти из внутренних слоёв пористой структуры пластин аккумулятора и напряжение на выходе при нагрузке недопустимо падает, приводя к сбою в работе источника бесперебойного питания.
Небольшой расход энергии на выводе систем хранения информации из рабочего состояния не требует установки мощных автомобильных аккумуляторов, а для восполнения использованной энергии аккумулятора, мощных зарядных устройств.
Для зарядки аккумулятора и поддержания его в рабочем состоянии следует применить зарядное устройство с использованием двух методов зарядки: быстрого заряда и струйного (компенсационного) заряда.
Метод медленного заряда применяемый при зарядке аккумуляторов сотовых телефонов в данной ситуации неприемлем, как и на сотовых телефонах он приводит к кристаллизации пластин и выходу аккумулятора в неожиданный момент.
Батарея аккумулятора при этом методе не заряжается до конца или перегревается, с тепловым разрушением пластин. Системы хранения данных эксплуатируются более суток и аккумуляторы в устройствах поддержания напряжения должны находится в режиме дежурного подзаряда также продолжительное время.
Одной из причин выхода из строя аккумулятора является заряд постоянным током при отсутствии небольшого разрядного тока и отсутствия цикличности в режиме заряда. При разрядном токе ионы свинца успевают восстановиться до аморфного состояния с осаждением на поверхность пластин. В перерывах импульсов зарядного тока снижается температура аккумулятора.
Заряд аккумуляторов закрытого типа с гелиевым наполнителем должен отвечать следующим параметрам: ограничение напряжения заряда с целью снятия перезаряда и нагрева, автоматическое ограничение зарядного тока в начальный период быстрого заряда – это защитит регулятор тока от перегрузки и перегрева, а элементы аккумулятора от недопустимой величины зарядного тока, реализация струйного подзаряда импульсным током коротким по времени и амплитудой не ниже рекомендуемого изготовителем тока заряда. Среднее значение зарядного тока не превышает 0,05 С, где С - ёмкость аккумулятора.
Использование цикличности тока для регенерации пластин позволит поддерживать аккумулятор в рабочем состоянии сколько угодно долго. За короткое время снижается в десятки раз внутреннее сопротивление аккумулятора, восстанавливается ёмкость и рабочее напряжение.
Режим быстрого заряда характеризуется следующими параметрами:
Время заряда 1-2 часа, это достаточно для восстановления ёмкости аккумулятора, после аварийного включения бесперебойного питания, ток заряда 0,2-0,3 С, степень заряда батареи 100%.Полного отключения заряда не происходит - он переходит при достижении напряжения конца заряда в буферный режим струйного подзаряда. Конечное напряжение аккумулятора указано в паспорте или на корпусе, к примеру для аккумулятора Champion 12 Вольт 7 А/ч, установленный в устройство бесперебойного питания типа «АРС», составляет 13,3 -13,8 В при 20 градусах температуры корпуса. Характеристика зарядного тока крутопадающая - с повышением напряжения на аккумуляторе ток заряда падает приближаясь к минимальному значению в 0,03 -0,05 С - режиму струйного подзаряда. При отсутствии отключений электросети аккумулятор в заряженном состоянии может находиться сколько угодно долгое время в режиме ожидания. При технологии струйной подзарядки компенсируется расход ёмкости аккумулятора на поддержание работы схемы в дежурном режиме и саморазряд. Стабилизация напряжения заряда отрицательной обратной связью с аккумулятора на генератор импульсов зарядного тока позволяет поддерживать режим заряда в автоматическом режиме.
Характеристики зарядного устройства:
Напряжение сети 220 Вольт.
Максимальный ток заряда 650 мА.
Напряжение заряда 13,8 Вольт.
Аккумулятор 12 Вольт 1- 7а/ч.
Ток быстрого заряда 350-450 мА.
Ток струйного подзаряда 30- 40 мА.
Разрядный ток 22 мА.
Время заряда 1-2 часа.
Время подзаряда непрерывно.
Время аварийного режима 10-30 минут.
Мощность нагрузки 50 ватт.
В схему источника бесперебойного питания входит импульсное зарядное устройство, в котором постоянный зарядный ток преобразуется с помощью генератора на таймере в последовательность импульсов, а паузы между импульсами положительной полярности заполнены постоянным разрядным током отрицательной полярности. Аккумулятор нагружен разрядным током и во время зарядки, который используется для индикации подключения аккумулятора в схему.
Преобразователь тока выполнен на ключах полевых транзисторах с управлением от генератора сетевой частоты. При отсутствии сетевого напряжения выработанное преобразователем напряжение сетевой частоты и уровня поступает через реле на нагрузку, при наличии сетевого напряжения оно через контакты включенного в сеть реле поступает на нагрузку без преобразований.
В устройстве имеется световая индикация включения, полярности подключения аккумулятора, индикатор высокого напряжения и зарядки. Звуковой датчик указывает на отсутствие сетевого напряжения и предупреждает о принятии мер по выводу системы хранения информации из рабочего режима за короткое время по программе.
Аналоговый таймер DA1 (Рис.1) вырабатывает импульсы стабильной частоты в режиме автогенератора. Процесс заряд - разряда времязадающего конденсатора С1 будет проходить циклически, время заряда зависит от значения резистора R2 - Т1 =0.69 С1R2, время разряда более продолжительно T2 = 0.69C1 (R3+R4).
Полный период импульса равен Т=Т1+Т2. Частота автогенератора зависит от значения элементов R2,R3,R4, C1 - F=1/T. Скважность зависит от рабочего периода импульса D=T1/T. При снижении времени разряда уменьшением значения резистора R2 скважность увеличивается.
Диод VD1 формирует короткий импульс зарядного тока.
Резистор R3 позволяет установить ток заряда в соответствии с паспортными данными аккумулятора.
Питание таймера выполнено от аналогового стабилизатора DA2, диод VD2 позволяет защитить таймер и стабилизатор от неправильной полярности аккумулятора.
Напряжение таймера выбрано исходя из напряжения питания микросхемы DD1 –генератора преобразователя напряжения батареи питания.
Конденсаторы С2,С3,С4,С5 снижают уровень помех по цепям питания.
После подачи питания на таймер DA1 и внешние цепи конденсатор С1 начнёт заряжаться по экспоненте до напряжения 2/3 Un за время Т1, после чего внутренний компаратор таймера по входу 6 DA1 переключит внутренний триггер в противоположное состояние, откроется внутренний разрядный транзистор по выводу 7 DA1, конденсатор С1 начнёт разряжаться до уровня 1/3 Un за время Т2.
Зарядка аккумулятора произойдёт по такому же сценарию.
Вывод 5 в микросхеме таймера DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы, в данном случае, для установки выходного напряжения заряда на аккумуляторе GB1. В качестве ключевого переключателя тока в схему введён полевой транзистор N – типа, импульсы с выхода 3 таймера через резистор R5 поступают на затвор транзистораVT1, транзистор открывается и ток заряда с выпрямителя питания VD3 через ограничительный резистор R10 и предохранитель FU1 поступает на аккумулятор GB1. Индикатор HL3 указывает короткими световыми импульсами о процессе заряда аккумулятора, отсутствие свечения предупреждает об обрыве в цепи заряда аккумулятора или неисправном транзисторе VT1.
Наличие питания таймера DA1 индицируется светодиодом HL1 жёлтого свечения.
Светодиод HL2 в параллельном соединении с аккумулятором выполняет три обязанности, индицирует зелёным свечением правильную полярность подключения аккумулятора GB1 и является цепью разряда аккумулятора с током до 20 мА. При красном свечении светодиод указывает на аварийное состояние или неправильной полярности подключения аккумулятора в схему.
Напряжение отрицательной обратной связи с положительной шины аккумулятора через ограничительный резистор R7 и установочный резистор R8 подаётся на управляющий электрод регулируемого параллельного стабилизатора напряжения DA3 - интегральный аналог стабилитрона, способного формировать регулируемое образцовое
напряжение на выводе 5 таймера DA1.При повышении напряжения на аккумуляторе управляемый стабилитрон открывается и изменяется напряжение стабилизации.
Снижение напряжения на катоде (вывод 3 DA3) приводит к снижению напряжения в точке 5 DA1 прямого доступа делителя с уровнем 2/3 Un, что приведёт к повышению частоты генератора на таймере DA1 и снижению напряжения и зарядного тока аккумулятора GB1.
Пропадание сетевого напряжения вызывает отключение реле К1 с переключением контактов К1.1 и К1.2. Первые разрешают работу генератора на микросхеме DD1 подавая на вход R (вывод 5 DD1) низкого уровня, после запуска генератора на выходах T1 и Т2 сформируются прямоугольные импульсы частотой 50 Герц. Импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. Для преобразования импульсов прямоугольной формы в близкие к форме синусоиды на выходе трансформатора Т2 установлен конденсатор С7. Газоразрядный индикатор HL3 указывает на наличие высокого напряжения.
Применение полевых транзисторов не требует установки мощных радиаторов.
Большая часть радиодеталей схемы установлены на печатной плате, остальные закреплены в корпусе, использованном от блока питания компьютера. Бюджетный вентилятор В1 используется по прямому назначению.
Радиодетали схемы соответствуют таблице1.
| Обозначение |
Номинал |
Замена |
Примечание |
|
|
проволочный |
||||
|
Остальные резисторы |
||||
|
Микросхема DA1 |
||||
|
IRF3701,IRF3808. |
||||
|
ТП 114-7 16В 1А |
||||
|
ТТП-40,ТН-6О |
||||
|
РП-21-003УХЛ |
Наладку схемы устройства следует начать с проверки источника питания +16 вольт и напряжения на выходе аналогового стабилизатора DA2. В отсутствии аккумулятора GB1 в схеме светодиод индикации тока заряда HL3 не горит, HL2 мигает с частотой генератора на таймере DA1, при подключении аккумулятора будет мигать светодиод заряда и гореть зелёным свечением индикатор полярности, при правильной полярности подключения аккумулятора, при неверной полярности светодиод загорит
красным свечением. Для установки зарядного тока в разрыв цепи аккумулятора подключить амперметр на ток до одного ампера, резистором R3 установить ток заряда в пределах 0,2С, а резистором R8 напряжение на аккумуляторе 13,3 вольта. После 1-2 часов заряда напряжение на аккумуляторе возрастёт до 13,8 вольта и ток упадёт до 0,1С, далее в режиме струйного подзаряда ток снизится до 0,03С.
Звуковой капсюль НА1 имеет внутренний генератор низкой частоты.
Отключив сетевое напряжение устанавливают резистором R14 частоту 50 Гц на конденсаторе С7.
На полевые транзисторы VT1-VT3 установить небольшие радиаторы размерами 10*50*10 мм.
Светодиоды индикации установить на корпусе со стороны противоположной вентилятору В1.
Литература:
1) В.Коновалов «Измерение R-вн АБ» «Радиомир» №8 2004 г стр.14
2) В.Коновалов, А.Разгильдеев.»Восстановление аккумуляторов» «Радиомир» №3 2005г. стр.7
3) В.Коновалов «Эффект памяти снимает вольтдобавка». «Радиомир» №10 2005 г. стр.13.
4) В.Коновалов «Зарядно- восстановительное устройство для Ni-Ca аккумуляторов» «Радио» №3 2006 г. стр.53.
5) Д.А.Хрусталёв «Аккумуляторы» Москва 2003г.
6) И.П.Шелестов «Радиолюбителям полезные схемы» книга 5.Москва 2003 г.
7) В.Коновалов «Ключевое зарядное устройство» «Радиомир» №9.2007г. стр13.
8) Микросхема КР142ЕН19. «Радио» №4.1994г.
9) Импульсное зарядное устройство «Радио» № 8.1995г. стр.61
10) Обслуживание «необслуживаемых» аккумуляторов, «Радиомир» №11.2001 г. стр.13.
11) М.Озолин «Простой источник бесперебойного питания».«Радио» №8.2005 г. стр.32.
12) С.Бирюков «Первичные кварцевые часы».«Радио» №6 2000г. стр34.
13) В.Коновалов «Регенератор аккумуляторных батарей».«Радиомир» №6.2008г стр.14.
14) В.Коновалов «Импульсная диагностика аккумуляторов».«Радиомир» №8 2008г. стр.15.
Легковой и коммерческий транспорт используются регулярно, а вот специальная техника: экскаваторы, катки, дизель-генераторы и бензо-генераторы аварийного питания используются периодически.
Самое слабое место при хранении такой техники - аккумуляторы. Свинцовые батареи, как известно, склонны к саморазряду, который ускоряется с возрастом и на фоне условий хранения. Также значительно (до 50%) возрастает скорость саморазряда после «кипения», когда плотность электролита превышает 1,32 г/см3.
Саморазряд
Этот процесс является недостатком химического строения автомобильного аккумулятора. Причин у саморазряда множество, например, низкое качество материалов АКБ. Посторонние примеси, металлы, соли приводят к переносу заряда с одного электрода на другой даже в «холостом» состоянии.
Также сами электроды могут быть причиной данного явления: разный состав решетки и активной массы может создавать небольшой «аккумулятор внутри аккумулятора», расходуя емкость в холостую. Меньше всего саморазрядом страдают необслуживаемые аккумуляторы, где в качестве основной добавки в электрод используется кальций, а не сурьма. Кальциевые АКБ по сравнению с сурьмяными имеют в 8 раз меньшую скорость потери энергии.
Важно! Новые АКБ имеют самую низкую скорость саморазряда. При температуре ниже 0 данное явление практически не происходит.
Поддержание заряда
Саморазряд коварен глубокой сульфатацией. Полный саморазряд приводит аккумулятор в негодность, а саморазряд плюс низкая температура может привести еще и к «размерзанию» пластикового корпуса батареи. Поэтому при хранении техники, дизельгенераторов заряд батарей нужно поддерживать.
В военной и авиационной технике проблема саморазряда решается осушением батарей : АКБ заряжается, после чего с него сливается кислота. АКБ остается сухим в заряженном состоянии.
В автомобильной и специальной технике, если нет возможности сливать кислоту, заряд нужно поддерживать. Некоторые устройства могут поддерживать заряд в буферном режиме: т.е. подзаряжать аккумулятор, а после полной зарядки брать на себя нагрузку потребителей (сигнализации, системы аварийного ввода резерва). Например, CTEK MXS 5.0 имеет и буферный режим, и режим импульсного поддержания заряда - АКБ подзаряжается только тогда, когда напряжение на клеммах снижается ниже определенного порога. Еще одним плюс зарядки CTEK MXS 5.0 - возможность зарядки и поддержания заряда через прикуриватель или отдельно смонтированный «быстрый разъем» . Так аккумуляторы не обязательно снимать перед хранением техники.
При поддержке заряда хранящейся техники лучше обходиться без «самопала». Устройства, не предназначенные для поддержания заряда, постепенно «вскипятят» электролит, превратив его в чистую кислоту. Такой аккумулятор больше не сможет работать.
Схема зарядного устройства
Предлагаемое автоматическое устройство предназначено для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей емкостью от 32 до 60 А*ч и поддержания их в заряженном состоянии.
Фирмы-производители рекомендуют осуществлять подзарядку батарей током, равным 0,04...0,06 от емкости аккумуляторной батареи в ампер-часах. По данным фирм, время зарядки батареи во многом зависит от зарядного тока - как при подзарядке в автомобиле, так и при зарядке от зарядного устройства.
В процессе зарядки напряжение на полюсах аккумуляторной батареи изменяется, и когда оно становится равным 2,3...2,35 В на ячейку (от 13,8 В до 14,1 В для батареи 12 В), батарея заряжена на 100%.
Ненагруженный аккумулятор саморазряжается за сутки примерно на 1 ...2% своей емкости. Если поверхность аккумулятора сильно загрязнена брызгами электролита, эта величина значительно возрастает.
Электрическая схема зарядного устройства сделана так, что при 100%-й зарядке аккумуляторной батареи она переключается в режим сохранения заряда, подавая слабый подзаряжающий ток (100...250 мА). Этот небольшой ток предотвращает саморазряд и сульфатацию.
Зарядное устройство питается от сети с напряжением 220 В +10% и -15%. Выпрямительный блок состоит из сетевого трансформатора (Т1) мощностью 100 Вт, выпрямительного моста В2М1 -5 и фильтрующего конденсатора С1.
Сопротивление резистора R1 зависит от емкости аккумуляторной батареи. Для аккумуляторной батареи емкостью 45 А*ч требуется ток 1 = 0,05-45 = 2,25 А.
Тогда резистор R1 должен иметь сопротивление примерно 1,8 Ом. Для аккумулятора емкостью 60 А*ч зарядный ток составляет 3 А, а сопротивление резистора R1 - 1,33 Ом. Резистор R1 наматывается на керамическом корпусе проводом диаметром 1 ...1,2 мм. Точная величина сопротивления R1 определяется тем, какая аккумуляторная батарея подсоединена к устройству. Устройство будет более универсальным, если заменить резистор R1 регулируемым сопротивлением (реостатом).
Блок отслеживания степени зарядки состоит из стабилизатора напряжения DA1, управляющего реле К1, транзистора VT1 (2Т9135) и триггера Шмитта (VT2, VT3), образующего пороговое устройство, отслеживающее
степень зарядки батареи. При достижении напряжения 13,9...14,1 В устройство переключается в режим поддержания заряда.
Согласно данным фирм-производителей аккумуляторов, такой режим допустим для всех распространенных типов свинцовых аккумуляторов.
Его преимущества:
- аккумулятор может быть подключен к зарядному устройству сколь угодно долго, и всегда находится в полностью заряженном состоянии;
- вследствие малости подзаряжающего тока, зарядное устройство не перегружается, а потребление тока от электросети минимально;
- нет необходимости в слежении за процессом зарядки.
Для указания режима работы зарядного устройства использованы два светодиодных индикатора. В процессе зарядки светится диод HL2 (зеленый), а в режиме сохранения заряда диод HL1 (синий или желтый).
Регулировка устройства на степень зарядки 100% осуществляется следующим образом. К полюсам аккумуляторной батареи подключается вольтметр с максимальным отклонением стрелки 20...30 В; при достижении напряжения 13,9... 14,1 В многооборотный потенциометр R13 устанавливается так, чтобы устройство перешло из режима зарядки в режим сохранения заряда. Эту операцию желательно
повторить несколько раз. На этом вся настройка завершается.
Выпрямительный элемент В2М1-5 устанавливается на ребристом радиаторе. Блок контроля, состоящий из интегральной схемы DA1, реле К1 (типа R15-12В, польского производства) и остальных элементов, монтируется на печатной плате. На транзистор VT1 крепится винтом М3 пластинчатый радиатор размерами 30x12x1 мм.
Все устройство монтируется в металлическом корпусе с отверстиями для вентиляции. Площадь отверстий должна быть примерно равна 0,5 площади корпуса.
Радио, телевизия, електроника, №9/98. Перевод А. Бельского.
“Радиолюбитель”, №7/1999, с. 18.
Скачать: Устройство для зарядки автомобильных аккумуляторов
В случае обнаружения "битых" ссылок -
Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.
В настоящее время существует много методов заряда аккумуляторов. Есть более современные, требующие специальных зарядных устройств, а есть и простые, классические методы заряда, известные еще с момента создания аккумуляторных батарей и пользующие популярностью по сей день.
Сегодня рассмотрим два классических метода заряда аккумуляторной батареи.
1. Заряд аккумулятора при постоянстве зарядного тока. I=const.
2. Заряд аккумулятор при постоянстве зарядного напряжения. U=const.
Сегодня нам потребуются следующие приборы:
1. Уровнемерная трубка (если есть)
2. Ареометр.
3. Вольтметр (мультиметр или встроенный прибор зарядного устройства).
4. Зарядное устройство.
Перед началом зарядки аккумулятора нужно убедиться в необходимости этого, то есть произвести проверку аккумулятора и подготовить его к зарядке, для этого нам необходимо:
1. Очистить корпус батареи, клеммы от окислов, вывернуть заливные пробки
2. Проверить уровень электролита с помощью уровнемерной трубки и если наблюдается пониженный уровень (менее 10-12 мм)необходимо долить дистиллированной воды.
3. Измерить плотность электролита с помощью ареометра
4. Измерить напряжение (ЭДС) аккумулятора с помощью вольтметра или мультиметра.
И желательно записать или запомнить эти значения они нам понадобятся для контроля конца заряда аккумулятора.
По измеренным значениям плотности и напряжения аккумулятора оценить нуждается ли он все-таки в зарядке или нет.
Плотность электролита в полностью заряженной батареи измеренная при температуре +25°С в зависимости от климатической зоны должна соответствовать значениям указанным в таблице.
Напряжение на полностью заряженной батареи должно быть не менее 12,6 вольта .
Не заряжайте аккумулятор если в этом нет необходимости, так как это приведет к сокращению его срока службы в результате перезаряда батареи .
Принцип заряда аккумулятора состоит в том, что к аккумулятору подключается напряжение с зарядного устройства, причем для возникновения зарядного тока, то есть начала процесса заряда аккумулятора, зарядное напряжение должно быть всегда больше напряжения на аккумуляторной батареи.
Если зарядное напряжение будет меньше напряжения на аккумуляторе, то направление тока в цепи поменяется и батарея начнет отдавать свою энергию зарядному устройству, то есть разряжаться на него.
Итак, рассмотрим первый метод заряда аккумуляторной батареи.
Заряд аккумулятора при постоянстве зарядного тока.
Заряд аккумулятора постоянным значением зарядного тока является основным универсальным методом заряда. Необходимо знать, что при использовании этого метода, в отличие от некоторых других, аккумуляторная батарея заряжается до 100% своей емкости.
При данном методе величина зарядного тока на протяжении всего заряда поддерживается неизменной.
Это достигается либо применением специальных зарядных устройств с функцией установки заданного значения зарядного тока, либо включением в цепь заряда реостата, однако в последнем случае изменять значения сопротивления реостата для достижения постоянства зарядного тока в процессе заряда необходимо самостоятельно.
Смысл в том, что в процессе заряда сопротивление аккумулятора и напряжение на нем изменяются, что приводит к уменьшению зарядного тока. Для поддержания зарядного тока на постоянном уровне необходимо увеличивать значение зарядного напряжения с помощью вышеупомянутого реостата.
Еще раз скажу, что в современных зарядных устройствах значение зарядного тока может поддерживается автоматически.
Сила зарядного тока обычно выбирается равной 10% от емкости аккумулятора, той, что указана на корпусе батарей. В литературе эта емкость обозначается как С20, что является емкостью при 20 часовом режиме разряда. Просто запомните это.
Время заряда аккумулятора при этом зависит от степени его разряженности перед началом заряда. Если аккумулятор был разряжен полностью но не ниже 10 вольт, то ориентировочное время его заряда будет в пределах 10 часов.
Если вас не лимитирует время заряда, то лучше заряжать аккумулятор током 5% от емкости АКБ, при этом процесс заряда происходит более качественно и батарея заряжается на 100% от своей емкости, при этом увеличивается время заряда.
Заряд аккумуляторной батареи производится до достижения обильного газовыделения, постоянства напряжения и плотности электролита на протяжении 2 часов.
Напряжение зарядного устройства, подключенного к аккумуляторной батареи, обычно в конце заряда достигает величины 16-16,2 вольта.
Следует сказать, что в конце заряда аккумулятора методом постоянства зарядного тока происходит значительное увеличение температуры электролита в нем. Поэтому при достижении температуры 45 градусов, следует уменьшить зарядный ток в 2 раза, либо вообще прервать заряд для снижения температуры до 30-35 градусов.
Итак, берем зарядное устройство, подключаем плюсовой и минусовой зажим к клеммам аккумулятора, ручку установки зарядного тока ставим на минимум, то есть в крайнее левое положение, подключаем зарядное устройство в сеть.
Далее устанавливаем зарядный ток, равный 10% от емкости аккумулятора и через каждые 2 часа контролируем плотность электролита, напряжение на аккумуляторе, которые в процессе заряда аккумулятора будут увеличиваться и если есть возможность температуру электролита, либо хотя бы косвенно, трогая корпус АКБ рукой.
Если зарядное устройство не имеет функцию поддержания постоянства зарядного тока, то поддерживаем его в ручную, изменяя зарядное напряжение и контролируя зарядный ток через каждые полчаса по амперметру зарядного устройства, либо амперметру, включенному последовательно в зарядную цепь.
При достижении напряжения примерно 14 вольт, производим контроль плотности и напряжения через каждый час.
При наблюдении признаков заряда (кипение, постоянство плотности и напряжения), отключаем зарядное устройство от сети, отключаем зажимы от аккумулятора.
Наш аккумулятор заряжен.
Недостатки метода заряда:
1. Длительное время заряда аккумулятора (при заряде током 10% от емкости порядка 10 часов, при заряде током 5% от емкости – около 20 часов, при условии, что аккумулятор был полностью разряжен).
2. Необходимость частого контроля процесса заряда (зарядного тока, напряжения, плотности и температуры электролита).
3. Существует вероятность перезаряда аккумулятора.
Заряд аккумулятора при постоянстве зарядного напряжения.
Заряд аккумулятора при поддержании постоянного значения напряжения на нем является более ускоренным и простым методом введения батареи в строй.
Суть этого метода заряда заключается в следующем.
Зарядное устройство непосредственно подключается к аккумуляторной батареи и в процессе всего заряда поддерживается постоянное значение зарядного напряжения. При этом напряжение устанавливается в пределах 14,4-15 вольт (для 12-ти вольтового аккумулятора).
При таком методе заряда величина зарядного тока устанавливается, можно сказать, автоматически, в зависимости от степени разряда, плотности электролита, температуры и других факторов.
В начале заряда аккумулятора зарядный ток может достигать больших значений, даже 100% от емкости аккумулятора, так как ЭДС батарей имеет наименьшее значение, а разница между этой ЭДС и напряжением заряда наибольшее. Однако в процессе заряда ЭДС аккумулятора увеличивается, разность между ЭДС аккумулятора и зарядным напряжением уменьшается, тем самым уменьшается зарядный ток, который через 2-4 часа может достичь порядка 5-10% от емкости АКБ. Опять же все зависит от степени разряженности батареи.
Такие большие токи заряда и являются причиной более быстрого заряда аккумуляторной батарей.
В конце процесса заряда аккумулятора зарядный ток уменьшается почти до нуля, поэтому считается, что при заряде методом поддержания постоянного значения зарядного напряжения аккумулятор зарядится только до 90-95% от своей емкости.
Таким образом, при значении зарядного тока близкого к нулю, заряд можно прекратить, батарею привести в исходное состояние и установить на автомобиль.
Кстати заряд аккумулятора при постоянной величине зарядного напряжения реализован в автомобиле.
Если напряжение на аккумуляторе меньше 12,6-12,7 вольт (в зависимости от марки автомобиля), то реле регулятор подключает генератор к аккумулятору для его подзарядки. Причем напряжение с генератора соответствует величине 13,8-14,4 вольта (стандартное значение, в иномарках встречается напряжение генератора немного больше указанного значения).
1. Подключаем зарядное устройство к аккумулятору,
2. Устанавливаем зарядное напряжение пределах 14,4-15 вольт,
3. Контролируем зарядный ток аккумулятора
4. Снимаем аккумулятор с зарядки при значение ток близкого к нулю.
Недостатки метода:
1. Заряд аккумуляторной батареи производится не до полной ее емкости, а в среднем до 90-95% от ее значения.
2. Большая перегрузка источника зарядного напряжения в начале заряда, в следствие большого зарядного тока (актуально при заряде аккумулятора от генератора автомобиля).
По завершении заряда аккумуляторной батарей любым из методов необходимо:
1. Убедиться что напряжение на нем имеет значение не менее 12,6 вольта,
2. Плотность электролита в пределах 1.27 г/см3
3. Уровень электролита 10-12 мм над пластинами
4. Устранить возможные потеки электролита и установить аккумулятор на автомобиль.
А теперь вопрос. В некоторых видео на ютуб и в статьях на сайтах я встречал такой совет по подключению зарядного устройства к аккумулятору: сначала подключаем плюс, потом минус. Так вот я хотел бы узнать ваше мнение правильно ли это утверждение или последовательность подключения проводов зарядного устройства не имеет значения?
Пишите свои мнения в комментариях.
Предлагаю посмотреть подробное видео в котором я поясняю как зарядить аккумулятор используя два классических метода заряда:
