Особенности зарядки аккумуляторов с паразитной нагрузкой

Зарядка аккумулятора проста, но сложность возрастает, когда во время зарядки присутствует паразитная нагрузка. В зависимости от химического состава аккумулятора, процесс зарядки проходит несколько этапов, и для литий-ионного аккумулятора этап 1 состоит из зарядки постоянным током (CC), которая доводит аккумулятор примерно до 70 процентов состояния заряда (SoC). Элемент достигает 4,20 В/элемент, что является общим пределом напряжения для литий-ионного аккумулятора, после чего этап 2 продолжается применением зарядки постоянным напряжением (CV). Ток начинает падать, когда аккумулятор насыщается. Полный заряд достигается, когда ток уменьшается до типичных 0,05 C, что составляет одну двадцатую от номинальной ампер-часа. Литий-ионный аккумулятор не может поглощать перезаряд, и на этапе 3 заряд не применяется. На рисунке 1 показаны типичные характеристики напряжения, тока и емкости зарядки CCCV.

Рисунок 1: Режим зарядки литий-ионного аккумулятора.

Этапы зарядки литий-ионного аккумулятора (CCCV)

Для литий-ионного аккумулятора используется метод CCCV (Constant Current, Constant Voltage).

Метод CCCV также используется для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов, с той разницей, что на третьем этапе применяется подзарядка, чтобы поддерживать полный заряд аккумулятора и предотвращать сульфатацию. Никелевые аккумуляторы получают подзарядку, когда аккумулятор полностью заряжен, чтобы компенсировать саморазряд. Литий-ионная система настолько эффективна, что избыточной энергии некуда деваться, когда аккумулятор полностью заряжен. Отключение тока заряда поддерживает стабильность аккумулятора и позволяет нейтрализовать напряжение. Непрерывная подзарядка, также известная как удержание высокого напряжения, повышает уровень заряда литий-ионного аккумулятора до вышеуказанного верхнего предельного потенциала. Это может привести к образованию газа; возможно, к поломке компонентов элемента и, вероятно, сокращению срока службы аккумулятора и ухудшению безопасности.

Аккумуляторы LiFePO4

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

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

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

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

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

Купить

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 использования аккумулятора

Использование аккумулятора можно разделить на три группы. Самая простая – это режим отсоединения, когда аккумулятор заряжается вне устройства, не подвергаясь воздействию паразитной нагрузки. Применения включают мобильные радиостанции, электроинструменты, дроны и общие приборы. Этот режим отсоединения обеспечивает самый простой метод зарядки, поскольку аккумулятор не зависит от устройства. Большинство коммерческих зарядных микросхем разработаны для работы в этом режиме.

Растущей тенденцией использования является режим ограниченной зарядки, в котором аккумулятор заряжается в оборудовании. Примерами являются смартфоны, ноутбуки и некоторые медицинские устройства. Аккумулятор заряжается в устройстве путем подключения к сети. Доступная мощность переменного тока распределяется на зарядку аккумулятора и работу устройства. После полной зарядки аккумулятор отключается от зарядного устройства, но время от времени может получать максимальную зарядку. Обычно это происходит, когда уровень заряда падает до 93 процентов.

Третья группа — это режим подключения, когда аккумулятор установлен в устройстве. Типичными применениями являются транспортные средства, доставляющие груз в отель и запускающие двигатель. В режиме подключения аккумулятор становится частью интегрированной системы, которая заряжается во время работы. Некоторые медицинские, военные и промышленные устройства также работают в режиме подключения, обеспечивая жизненно важные функции. В таблице 2 обобщено использование аккумулятора в различных средах зарядки.

Таблица 2: Использование аккумулятора в различных средах зарядки.
Паразитные нагрузки усложняют зарядку.

Паразитная нагрузка и ее влияние

Наличие постоянной паразитной нагрузки на аккумулятор усложняет процесс зарядки. Следует отметить, что большинство устройств потребляют определенную паразитную нагрузку, но ток низкий и может состоять из защитной схемы для литий-ионного аккумулятора, резервного копирования памяти или работы часов. Это не искажает процедуру зарядки и в большинстве случаев может быть проигнорировано. Однако паразитная нагрузка в подключенном режиме может быть высокой и искажать характеристику насыщения на этапе 2. Такие помехи в режиме зарядки требуют альтернативного механизма обнаружения полной зарядки.

Возможными решениями являются уменьшение тока заряда на втором этапе на некоторое время, затем отключение заряда и применение подпитывающего заряда, когда состояние заряда падает до 93 процентов. Другой метод — поддерживать напряжение элемента на уровне 4,20 В/элемент. Это был бы самый простой метод, но большинство производителей литий-ионных аккумуляторов не одобряют этот метод из соображений безопасности и долговечности. Еще один вариант — снижение напряжения заряда с обычных 4,20 В/элемент до 4,10 В/элемент. Это уменьшает емкость, и производители элементов считают это жизнеспособным, но не совсем довольны этим.

Ученые изучают поведение литий-ионных аккумуляторов при различных режимах удержания высокого напряжения как функцию добавок электролита и выбора активных материалов. Неофициальные результаты показывают, что циклическая зарядка/разрядка элементов с длительным временем удержания при 4,20 В/элемент не приводит к образованию литиевого покрытия в качественных элементах. Однако элементы более низкого качества могут развивать высокий импеданс, что может привести к образованию литиевого покрытия при длительном удержании при 4,20 В/элемент при повышенных температурах до 40°C.

Поддержание высокого напряжения литий-ионных аккумуляторов является деликатным вопросом. Было опубликовано мало технических статей, которые бы предлагали, как правильно заряжать аккумулятор с паразитной нагрузкой, а производители аккумуляторов не делятся передовым опытом. Известно, что плавающая зарядка при повышенной температуре может привести к поломке компонентов элемента, что потенциально может привести к короткому замыканию в элементе. Результаты исследования показывают, что этот дефект не обязательно связан с литиевым покрытием, которое возникает при превышении напряжения заряда или во время зарядки ниже нуля. Существуют и другие вредные последствия, которые требуют дальнейшего изучения.

Разрушение компонентов можно уменьшить с помощью добавок в электролит. Каждый производитель аккумуляторов имеет свой собственный секретный ингредиент и не спешит публиковать его состав. Поскольку курение и недостаток физических упражнений по-разному влияют на здоровье каждого человека, то также нет согласованной информации о зарядке конкретной литий-ионной системы с паразитной нагрузкой. Похоже, что не хватает информации о влиянии удержания высокого напряжения на литий-ионные аккумуляторы, особенно во время работы при повышенной температуре и во время быстрой зарядки.

Сравнение со свинцово-кислотной системой

Рассмотрим свинцово-кислотную систему, которая имеет сходство с литий-ионной в отношении зарядки, но более терпима к перезарядке. На этапе 1 свинцово-кислотный аккумулятор заряжается до 2,40 В/элемент. Применение полностью насыщенного заряда на этапе 2 важно для предотвращения сульфатации. Вместо того, чтобы снизить ток заряда до нуля, когда он готов, этап 3 снижает напряжение с 2,40 В/элемент до 2,25 В/элемент для поддержания полного заряда. Поддержание свинцово-кислотного аккумулятора на высоком уровне 2,40 В/элемент приведет к выделению газов и будет способствовать коррозии пластин. Применение снижения напряжения важно особенно в стационарных системах, где аккумулятор постоянно заряжается.

Система зарядки в транспортном средстве обычно заряжает аккумулятор до 14,40 В (2,40 В/элемент) без возможности снижения напряжения после полной зарядки. Снижение напряжения до 13,50 В (2,25 В/элемент) во время длительной поездки было бы предпочтительнее, но свинцово-кислотные аккумуляторы более терпимы и переносят это состояние, получая отдых, когда автомобиль припаркован.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

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

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

Стартовые аккумуляторы часто заменяют на LiFePO (литий-фосфатные), работающие от той же системы зарядки. Четыре элемента, соединенные последовательно, выдают 12,80 В, что равно напряжению шести свинцово-кислотных элементов на 2 В, соединенных последовательно. Каждый из четырех литий-фосфатных элементов достигает максимального напряжения 3,60 В, что является правильным напряжением полного заряда. В этот момент зарядку следует отключить, но зарядка автомобильным зарядным устройством продолжается во время движения.

Литий-фосфатный аккумулятор устойчив к некоторому перезаряду, однако, длительное удержание напряжения на уровне 14,40 В может привести к нагрузке на аккумулятор. Время покажет, насколько долговечным будет литий-фосфатный аккумулятор при условии работы с обычной системой зарядки, запрограммированной на свинцово-кислотный. Литий-фосфатные аккумуляторы также устанавливаются в инвалидные коляски, скутеры, гольф-кары и компьютеры на колесах в больницах. Целесообразно убедиться в совместимости зарядного устройства при замене свинцово-кислотного на литий-фосфатный.

Применение в авиации и выводы по безопасности

Самолет имеет сходство с транспортным средством в том, что обе системы работают в подключенном режиме. Как и в транспортном средстве, аккумулятор в самолете можно отключить, как только вспомогательный генератор обеспечивает питание. Произошел инцидент, когда никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор перегрелся на Boeing 777 во время полета. Автоматический выключатель был отключен без инцидентов, чтобы отделить аккумулятор от системы.

Пилоты требуют, чтобы аккумулятор всегда был полностью заряжен. С никель-кадмиевым аккумулятором, распространенным на борту пассажирских самолетов, это не проблема, но Boeing 787 Dreamliner оснащен литий-ионным аккумулятором, который работает в режиме подключенного заряда. В 2013 году с этим аккумулятором действительно возникли проблемы, но эксперты говорят, что пожары бортового аккумулятора были вызваны не неправильной зарядкой, а его дефектами. В то время как уровень отказов качественного литий-ионного аккумулятора, произведенного основными производителями, составляет около 1 на 10 миллионов, ранние аккумуляторы Boeing 787 имели уровень отказов 3 на 800.

В начале 1970-х годов Национальный совет по безопасности на транспорте сообщал о нескольких инцидентах с аккумуляторами в год, связанных с тогда еще новыми никель-кадмиевыми аккумуляторами, но ни один из них не привел к жертвам. В конце концов, модернизация сделала никель-кадмиевые аккумуляторы безопасными, и подобные усовершенствования также будут внесены с литий-ионными аккумуляторами на борту самолетов.

Одним из больших преимуществ литий-ионных аккумуляторов, кроме более высокой удельной энергии, являются их низкие затраты на обслуживание. Однако инженеры Boeing обратились к автомобильному сектору, чтобы узнать, как большие литий-ионные аккумуляторы используются в электромобилях. Они обнаружили, что аккумулятор электромобиля имеет около 50 точек восприятия для безопасности; в Boeing 787 их было меньше десяти. Этот недостаток теперь исправлен.

Аккумуляторы LiFePO4

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

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

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

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

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

Купить

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

Краткое содержание

Как следует заряжать литий-ионный аккумулятор с паразитной нагрузкой? Решением является удержание высокого напряжения путем применения поддерживающего заряда в режиме Attached Mode, но это устраняет один уровень избыточности безопасности, что беспокоит производителей аккумуляторов. Если поддерживающий заряд выйдет из-под контроля, элемент перезарядится и произойдет литиевое покрытие. Также известно, что удержание высокого напряжения при повышенной температуре приводит к разрушению компонентов элемента. Долгосрочные последствия практического использования могут быть еще не полностью изучены.

Ответом на вопрос безопасной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов в режиме подключенного заряда может быть выбор добавок в электролит, а также снижение состояния полного заряда. Уровень нагрузки литий-ионных аккумуляторов самый низкий между состоянием заряда от 30 до 80 процентов. Электромобили используют эту желаемую пропускную способность SoC для достижения чрезвычайно длительного срока службы аккумулятора, однако аккумуляторные батареи должны быть увеличенного размера, чтобы компенсировать сниженную емкость.

Литий-ионные аккумуляторы оптимизированы для различных применений, начиная от высокоэнергетических отдельных элементов для потребительских товаров и заканчивая прочными многоэлементными конфигурациями для медицинского, военного и мобильного использования, а также мощными элементами для электроинструментов. Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов в подключенном режиме – это растущий рынок, и производителям аккумуляторов нужно будет учесть это и создать продукт, который удовлетворит потребности этого нового применения.