Как работают зарядные устройства для аккумуляторов?

Хорошее зарядное устройство обеспечивает основу для долговечных и хорошо функционирующих аккумуляторов. На рынке, чувствительном к цене, зарядные устройства часто получают низкий приоритет и статус «о чем не думают». Аккумулятор и зарядное устройство должны идти рука об руку, как лошадь и карета. Разумное планирование придает источнику питания главный приоритет, размещая его в начале проекта, а не после завершения оборудования, как это распространено на практике. Инженеры часто не осознают сложности, связанной с источником питания, особенно при зарядке в неблагоприятных условиях.

Рисунок 1: Аккумулятор и зарядное устройство должны идти рядом, как лошадь и карета

Зарядные устройства обычно идентифицируются по скорости зарядки. Потребительские товары поставляются с недорогим персональным зарядным устройством, которое хорошо работает при условии использования по назначению. Промышленные решения часто изготавливаются сторонними производителями и имеют специальные функции, такие как работа при низких температурах. Хотя аккумуляторы работают ниже нуля, большинство литий-ионных аккумуляторов нельзя заряжать в таких условиях. Свинцово-никелевые аккумуляторы способны принимать заряд на холоде, но с меньшей скоростью.

Некоторые зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов (Cadex) имеют функцию пробуждения или «повышения заряда», которая позволяет перезаряжать литий-ионный аккумулятор, если он перешел в спящий режим из-за чрезмерного разряда. Спящий режим может возникнуть при хранении аккумулятора в разряженном состоянии, когда саморазряд доводит напряжение до точки отсечки. Обычное зарядное устройство считает такой аккумулятор непригодным для использования, и его часто выбрасывают. Функция «повышения заряда» применяет небольшой ток заряда, чтобы повысить напряжение до уровня от 2,2 В/элемент до 2,9 В/элемент, чтобы активировать схему защиты, после чего начинается нормальный заряд. Будьте осторожны, если напряжение литий-ионного аккумулятора находится ниже 1,5 В/элемент в течение недели или дольше. Могли образоваться дендриты, которые могут поставить под угрозу безопасность.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Аккумулятор LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 12В 50Ач

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить
Аккумулятор Sacred Sun SCIFP1250 LiFePO4 12В 50Ач

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить
Посмотреть больше

Методы зарядки

Зарядные устройства на основе свинца и лития работают на постоянном токе с постоянным напряжением (CCCV). Ток заряда постоянен, а напряжение ограничивается, когда достигает установленного предела. Достигая предела напряжения, аккумулятор насыщается, ток падает до тех пор, пока аккумулятор больше не сможет принимать дальнейший заряд, и быстрая зарядка завершается. Каждый аккумулятор имеет свой собственный порог низкого тока.

Никелевые аккумуляторы заряжаются постоянным током, а напряжение свободно растет. Это можно сравнить с поднятием веса с помощью резинки, когда рука продвигается выше нагрузки. Обнаружение полного заряда происходит, когда наблюдается небольшое падение напряжения после постоянного роста. Чтобы предотвратить аномалии, такие как короткое замыкание или несоответствие элементов, зарядное устройство должно иметь таймер плато, чтобы обеспечить безопасное завершение заряда, если не обнаружено дельты напряжения. Также следует добавить датчик температуры, который измеряет рост температуры со временем. Такой метод известен как дельта температуры за дельта-время, или dT/dt, и хорошо работает с быстрым и интенсивным зарядом.

Температурный контроль

Повышение температуры является нормальным явлением для никелевых аккумуляторов, особенно при достижении 70-процентного уровня заряда. Это вызывает снижение эффективности заряда, и ток заряда следует уменьшить, чтобы ограничить нагрузку. В состоянии «готовности» зарядное устройство переключается на поддерживающую зарядку, и аккумулятор должен остыть. Если температура остается выше комнатной, зарядное устройство работает неправильно, и аккумулятор следует извлечь, поскольку поддерживающая зарядка может быть слишком высокой.

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы не следует оставлять в зарядном устройстве без присмотра на протяжении недель и месяцев. До необходимости храните аккумуляторы в прохладном месте и заряжайте их перед использованием.

Литиевые аккумуляторы всегда должны оставаться холодными во время зарядки. Прекратите использование аккумулятора или зарядного устройства, если температура поднимается более чем на 10ºC (18ºF) выше температуры окружающей среды при нормальной зарядке. Литий-ионный аккумулятор не может поглощать перезаряд и не получает постепенной зарядки, когда он полностью заряжен. Нет необходимости извлекать литий-ионный аккумулятор из зарядного устройства, однако, если он не используется в течение недели или дольше, лучше всего поместить его в прохладное место и зарядить перед использованием.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

Аккумулятор LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 12В 50Ач

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить
Аккумулятор LiFePO4 Sacred Sun 12В 50Ач с BMS

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить
Аккумулятор Sacred Sun SCIFP1250 LiFePO4 12В 50Ач

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить
Посмотреть больше

Типы зарядных устройств

Самым простым зарядным устройством было ночное зарядное устройство, также известное как медленное зарядное устройство. Это уходит корнями в старые времена никель-кадмиевых аккумуляторов, когда простое зарядное устройство применяло фиксированный заряд примерно 0,1 C (одна десятая от номинальной емкости), пока аккумулятор был подключен. Медленные зарядные устройства не имеют функции обнаружения полного заряда, зарядка остается активной, а полная зарядка разряженного аккумулятора занимает 14–16 часов. После полной зарядки медленное зарядное устройство сохраняет NiCd-аккумуляторы теплыми на ощупь. Из-за пониженной способности поглощать перезаряд, NiMH не следует заряжать на медленном зарядном устройстве. Недорогие потребительские зарядные устройства, заряжающие элементы AAA, AA и C, часто используют этот метод зарядки, как и некоторые детские игрушки. Извлекайте батарейки, когда они теплые.

Ускоренное зарядное устройство находится между медленным и быстрым зарядным устройством и используется в потребительских товарах. Время зарядки пустого аккумулятора составляет 3–6 часов. Когда аккумулятор полностью заряжен, зарядное устройство переключается в режим «готовности». Большинство ускоренных зарядных устройств оснащены датчиками температуры для безопасной зарядки неисправного аккумулятора.

Быстрое зарядное устройство предлагает несколько преимуществ, и очевидным является более короткое время зарядки. Это требует более тесной связи между зарядным устройством и аккумулятором. При скорости зарядки 1C, которую обычно использует быстрое зарядное устройство, разряженный NiCd и NiMH аккумулятор заряжается чуть более чем за час. Когда аккумулятор приближается к полному заряду, некоторые зарядные устройства на основе никеля уменьшают ток, чтобы приспособиться к более низкой допустимой мощности заряда. Полностью заряженный аккумулятор переключает зарядное устройство в режим поддерживающей зарядки, также известной как зарядка на основе обслуживания. Большинство современных зарядных устройств на основе никеля имеют уменьшенную поддерживающую зарядку, чтобы также поддерживать заряд NiMH.

Особенности различных химий

Литий-ионные аккумуляторы имеют минимальные потери при зарядке, а кулоновский КПД превышает 99 процентов. При 1C аккумулятор заряжается до 70 процентов состояния заряда (SoC) менее чем за час, дополнительное время тратится на насыщающий заряд. Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в насыщающем заряде, как свинцово-кислотные, на самом деле, литий-ионные лучше не заряжать полностью — аккумуляторы прослужат дольше, но время работы будет немного меньше. Из всех зарядных устройств литий-ионные являются самыми простыми. Никаких уловок, обещающих улучшить производительность аккумулятора, как часто утверждают производители зарядных устройств для свинцово-никелевых аккумуляторов, не применяется. Работает только рудиментарный метод CCCV.

Свинцово-кислотный аккумулятор нельзя быстро заряжать, и термин «быстрый заряд» является неправильным. Большинство зарядных устройств для свинцово-кислотного аккумулятора заряжают аккумулятор за 14–16 часов, все, что медленнее, является компромиссом. Свинцово-кислотный аккумулятор можно зарядить до 70 процентов примерно за 8 часов, оставшееся время занимает чрезвычайно важный насыщающий заряд. Частичный заряд вполне приемлем при условии, что свинцово-кислотный аккумулятор периодически получает полностью насыщающий заряд, чтобы предотвратить сульфатацию.

Энергоэффективность и стандарты

Ток ожидания зарядного устройства должен быть низким для экономии энергии. Energy Star присваивает пять звезд зарядным устройствам для мобильных телефонов и другим небольшим зарядным устройствам, потребляющим 30 мВт или меньше в режиме ожидания. Четыре звезды получают зарядные устройства мощностью 30–150 мВт, три звезды – 150–250 мВт, а две звезды – 250–350 мВт. Среднее потребление составляет 300 мВт, и эти устройства получают одну звезду. Energy Star стремится уменьшить потребление тока персональными зарядными устройствами, которые в основном остаются подключенными к сети, когда не используются. В любой момент времени к сети в мире подключено более миллиарда таких зарядных устройств.

⚡ Простые советы по покупке зарядного устройства

1. Зарядка аккумулятора наиболее эффективна, когда его состояние заряда (SoC) низкое. Сила заряда снижается, когда аккумулятор достигает SoC 70% и выше. Полностью заряженный аккумулятор больше не может преобразовывать электрическую энергию в химическую, и заряд необходимо уменьшать, чтобы он постепенно пополнялся или полностью прекращался.

 

2. Зарядка аккумулятора выше полного уровня превращает избыточную энергию в тепло и газ. В случае с литий-ионными аккумуляторами это может привести к отложению нежелательных материалов. Длительная перезарядка приводит к необратимым повреждениям.
3. Используйте правильное зарядное устройство для предназначенного химического состава аккумулятора. Большинство зарядных устройств поддерживают только один химический состав. Убедитесь, что напряжение аккумулятора соответствует зарядному устройству. Не заряжайте, если напряжение отличается.
4. Номинальная емкость аккумулятора в А·ч может незначительно отличаться от указанной. Зарядка большего аккумулятора займет немного больше времени, чем меньшего, и наоборот. Не заряжайте, если номинальная емкость в А·ч слишком сильно отличается (более чем на 25 процентов).

 

5. Зарядные устройства высокой мощности ускоряют процесс, но слишком быстрая зарядка создает стресс для аккумулятора.
6. Свинцово-кислотное зарядное устройство должно переключаться в режим поддерживающего заряда при полном насыщении; зарядное устройство на основе никеля должно переключаться в режим поддерживающего заряда при полном заряде. Литий-ионный аккумулятор не может поглощать перезаряд и не получает поддерживающего заряда.
7. Зарядные устройства должны иметь функцию превышения температуры, которая позволяет завершить зарядку неисправного аккумулятора.

 

8. Следите за температурой зарядки. Свинцово-кислотные аккумуляторы должны оставаться теплыми на ощупь; никелевые аккумуляторы нагреваются ближе к концу зарядки, но должны остыть после перехода в режим «готовности». Температура литий-ионных аккумуляторов не должна подниматься выше температуры окружающей среды более чем на 10ºC (18ºF) после достижения полного заряда.

 

9. Проверяйте температуру аккумулятора, когда используете недорогое зарядное устройство. Извлекайте аккумулятор, когда он нагреется.

 

10. Заряжайте при комнатной температуре. Заряжать при низкой температуре в холодном состоянии. Литий-ионный аккумулятор нельзя заряжать ниже нуля.