Теория заряда NiCd АКБ

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:

  1. Определение наличия аккумулятора.
  2. Квалификация аккумулятора (qualification).
  3. Пред-зарядка (pre-charge).
  4. Переход к быстрой зарядке (ramp).
  5. Быстраязарядка (fast charge).
  6. Дозарядка (top-off charge).
  7. 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.


Рекомендуем ознакомиться со следующими материалами: