Способи контролю заряду акумуляторів
Під час заряду герметичних лужних акумуляторів змінюється кілька параметрів: напруга, температура, внутрішній тиск. Характер їх змін у процесі заряду герметичного нікель-кадмієвого акумулятора зображено малюнку 1. Ці параметри забезпечують різну чутливість і мають різні обмеження під час використання. Характер зміни зазначених параметрів у нікель-металгідридних акумуляторів схожий, але вони більш чутливі до перегріву при перезарядженні.
Заряд стандартного режиму зазвичай проводиться протягом регламентованого часу. Контроль напруги при такій стратегії заряду малоефективний, так як при низьких щільності струму заряду напруга в кінці процесу (Uкон) змінюється незначно і контроль процесу за його величиною, обраною відповідно до рекомендованої виробником як типової для даного типу джерела струму, може призвести до недозаряду одних та перезарядження інших акумуляторів (залежно від їх індивідуальних зарядних характеристик). Паспортна величина кінцевої напруги показує лише статистичний параметр, а розкид його в акумуляторів у партії може бути помітним. До того ж величина ця залежить від температури та напрацювання акумулятора.
При швидкому заряді використання напруги як контрольний параметр виявилося більш результативним. Це визначається зміною виду кривої заряду. І тут немає потреби орієнтуватися на конкретну величину граничного зарядного напруги, необхідно встановити момент досягнення його максимальної величини. Для цього пристроями контролю періодично визначається величина dU/dt або d2U/dt2. Максимум зарядної напруги спостерігається як правилопри заряді до 110-120% Пн.
У разі припинення заряду в цей момент при наступному розряді в стандартному режимі вдається зняти близько 95% номінальної ємності. Для забезпечення більшого перезаряду (до 140-160 %) потрібно або час зберігати заряд тим самим струмом, або забезпечити перехід до більш безпечного режиму підзаряду меншим струмом.
В даний час для контролю ходу швидкого заряду частіше використовується інший критерій: переривання заряду проводять після того, як напруга акумулятора зменшиться на U після досягнення максимуму. Це забезпечує необхідний рівень перезаряджання акумуляторів.
Такий контроль рекомендується для швидкого заряду (протягом 1 години) циліндричних рулонних лужних акумуляторів, якщо виробник дозволяє такий заряд для конкретного типу акумуляторів. У літературі він називається детекцією -U. Величина -U для акумуляторів різних виробників може становити від 5-10 до 10-20 мВ, Для контролю заряду частіше пропонується використовувати величину 10 мВ/акумулятор при температурі заряду від 0 до 30 °С. При цьому на початку заряду (протягом 5-10 хв) рекомендується не проводити вимірювання напруги джерела струму, щоб уникнути спрацьовування системи контролю через можливий стрибок напруги (і подальшого його невеликого спаду) після тривалого зберігання.
Іншим параметром, який застосовується при контролі заряду сучасних лужних герметичних акумуляторів, є температура. Контроль температури найбільш потрібний при заряді нікель-металгідридних акумуляторів. Температурний датчик встановлюється не так на кожному акумуляторі, але в одному з них у батареї. Зрозуміло, що вплив конструктивних особливостей батареї та умов теплообміну, що реалізуються в ній, роблять контроль заряду за абсолютною величиною температури Тдуже проблематичним, оскільки непросто однозначно визначити величину цього параметра. Фахівці компанії GP, наприклад, детально досліджували процес заряду батареї ємністю 2,5 Ач струмом 0,5 С за температури навколишнього середовища (Tокр) від 15 до 45 °С. Вивчалося відключення при температурі батареї (Tбат), що дорівнює 55 і 60 °С. Було показано, що й температура довкілля вище 35 °З, то при Tбат = 55 °З має місце істотний недозаряд. При Tбат = 60 ° С недозаряд дещо зменшується. Збільшити ще більше значення контрольованого параметра (Tбат & 60 °C) не можна без ризику збільшення небезпеки відмови акумулятора.
Всі виробники зазвичай рекомендують максимальну величину температури при швидкому заряді - не більше 55 °С. Слід розуміти, що при підвищених температурах навколишнього середовища уникнути недозаряду за такого способу контролю зарядного процесу не вийде. Більш раціональним є контроль іншого параметра: швидкості зміни температури (ΔT/Δt), що дозволяє за будь-якої температури навколишнього середовища діагностувати інтенсифікацію побічних процесів, яка має місце при перезаряді. Величина ΔT/Δt, при якій різні виробники рекомендують відключати герметичні лужні акумулятори, знаходиться в інтервалі від 1 до 2 °С/хв за струму заряду 1С і 0,8 °С/хв, якщо струм менше.
Більшість виробників вважає, що найкращі результати досягаються при контролі заряду за двома критеріями (оцінка -U і T/Δt) одночасно. Такий метод контролю універсальний як акумуляторів різних типів, так різного рівня їх зарядженості. Слід зазначити, що другий із цих параметрів забезпечує більш сприятливі умови роботи акумуляторів при тривалій експлуатації.
Знайдено ще один електричний параметр, якийвеличині значно більше змін напруги. Цей параметр – реакція джерела струму на тестовий сигнал змінного струму.
Для контролю ступеня зарядженості свинцево-кислотних акумуляторів можна використовувати напругу розімкнутого ланцюга, яке змінюється від 2,05-2,15В/ак при зарядженому стані (залежно від концентрації кислоти) до 1,95-2,03В/ак після повного розряду . Ця залежність показано малюнку 2.
При контролі зарядженості свинцево-кислотного акумулятора в ході заряду, заряд вважається завершеним якщо струм заряду (при незмінному стандартному напрузі заряду) залишається незмінним протягом 3-х годин.
При заряді літій-іонних акумуляторів також орієнтуються на напругу акумулятора. У початковий період, коли тільки з'явилися літій-іонні акумуляторні батареї, що використовують графітову систему, потрібно обмеження напруги заряду з розрахунку 4,1 на елемент. В даний час літій-іонні елементи можна заряджати до напруги 4,20 В. Допустиме відхилення напруги становить лише близько ±0,05 на елемент. Малюнок 3 відображає стандартний процес заряду літій-іонного акумулятора.
ЕТАП 1 - Через акумулятор протікає максимально допустимий струм заряду, поки напруга не досягне порогового значення. ЕТАП 2 - Максимальна напруга на акумуляторі досягнуто, струм заряду поступово знижується до тих пір, поки він повністю не зарядиться. Момент завершення заряду настає, коли величина струму заряду знизиться до значення 3% від початкового. ЕТАП 3 - Періодичний компенсуючий заряд,що проводиться при зберіганні акумулятора, орієнтовно через кожні 500 годин зберігання.