Зарядка и особенности никелевых аккумуляторов

Сложность зарядки

Никелевые аккумуляторы сложнее заряжать, чем литий-ионные и свинцово-кислотные. Литиевые и свинцовые системы заряжаются по принципу CCCV (постоянный ток – постоянное напряжение), тогда как в никелевых аккумуляторах напряжение может свободно расти. Полный заряд обнаруживают по небольшому падению напряжения после постоянного роста, что часто сопровождается повышением температуры.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Начальный медленный заряд

Производители аккумуляторов рекомендуют медленно заряжать новые аккумуляторы в течение 16–24 часов перед использованием. Медленный заряд обеспечивает одинаковый уровень заряда всех элементов аккумуляторной батареи. Это важно, поскольку каждый элемент никель-кадмиевого аккумулятора может саморазряжаться со своей собственной скоростью. Кроме того, во время длительного хранения электролит имеет тенденцию оседать на дно элемента, и начальный медленный заряд помогает перераспределить его, чтобы устранить сухие пятна на сепараторе.

Формовка и цикличность

Производители аккумуляторов не полностью формуют никелевые и свинцовые аккумуляторы перед отправкой. Элементы достигают оптимальной производительности после "прайминга" (первичной подготовки), который включает несколько циклов зарядки/разрядки. Это часть нормального использования; это также можно сделать с помощью анализатора аккумуляторов. Известно, что качественные элементы работают в соответствии с полными характеристиками только после 5–7 циклов; другим может потребоваться 50–100 циклов. Пиковая емкость достигается между 100–300 циклами, после чего производительность начинает постепенно снижаться.

Вентиляция и безопасность

Большинство аккумуляторных элементов имеют предохранительное вентиляционное отверстие, которое сбрасывает избыточное давление в случае неправильной зарядки. Вентиляционное отверстие на никель-кадмиевом элементе открывается при давлении 1000–1400 кПа (150–200 фунтов на квадратный дюйм). Давление, сбрасываемое через герметичное вентиляционное отверстие, не наносит повреждений; однако, во время каждого выпуска газа вытекает определенное количество электролита, и уплотнение может начать протекать. Образование белого порошка на вентиляционном отверстии делает это заметным. Многократное выпускание газов в конечном итоге приводит к высыханию аккумулятора. Аккумулятор никогда не следует нагружать до точки выпуска газа.

Обнаружение полного заряда

Обнаружение полного заряда герметичных никелевых аккумуляторов сложнее, чем для свинцово-кислотных и литий-ионных. Недорогие зарядные устройства часто используют датчик температуры для завершения быстрого заряда, но это может быть неточным. Ядро элемента на несколько градусов теплее, чем поверхность, где измеряется температура, и возникающая задержка приводит к перезаряду. Производители зарядных устройств используют 50°C (122°F) как температуру отсечки. Хотя любая длительная температура выше 45°C (113°F) вредна для аккумулятора, кратковременное превышение допустимо, если температура аккумулятора быстро падает, когда появляется индикатор «готов».

Усовершенствованные зарядные устройства больше не полагаются на фиксированный температурный порог, а ощущают скорость повышения температуры со временем, также известную как дельта-температура за дельта-время, или dT/dt. Вместо того, чтобы ждать достижения абсолютной температуры, dT/dt использует быстрое повышение температуры ближе к концу зарядки, чтобы активировать индикатор «готовности». Метод дельта-температуры поддерживает аккумулятор более прохладным, чем фиксированное температурное пороговое значение, но элементы должны заряжаться достаточно быстро, чтобы инициировать повышение температуры. Зарядка прекращается, когда температура повышается на 1°C (1,8°F) в минуту. Если аккумулятор не может достичь необходимого повышения температуры, абсолютное температурное пороговое значение, установленное на 60°C (140°F), завершает зарядку.

Зарядные устройства, зависящие от температуры, вызывают вредные перезаряды, когда полностью заряженный аккумулятор многократно извлекается и вставляется снова. Это касается зарядных устройств в транспортных средствах и на настольных станциях, где рация отсоединяется при каждом использовании. Повторное подключение инициирует новый цикл зарядки, который требует повторного нагрева аккумулятора.

Литий-ионные системы имеют преимущество в том, что напряжение определяет состояние заряда. Повторная установка полностью заряженного литий-ионного аккумулятора мгновенно поднимает напряжение до порога полного заряда, ток падает, и зарядное устройство вскоре отключается без необходимости создания температурной сигнатуры.

Обнаружение полного заряда по сигналу напряжения

Усовершенствованные зарядные устройства прекращают зарядку, когда достигается определенная характеристика напряжения. Это обеспечивает более точное обнаружение полного заряда никелевых аккумуляторов, чем методы на основе температуры. Зарядное устройство проверяет падение напряжения, которое происходит, когда аккумулятор достиг полного заряда. Этот метод называется отрицательной дельтой V (NDV).

NDV – это рекомендуемый метод обнаружения полного заряда для зарядных устройств, использующих скорость заряда 0,3C и выше. Он обеспечивает быстрое время отклика и хорошо работает с частично или полностью заряженным аккумулятором. При вставке полностью заряженного аккумулятора напряжение на клеммах быстро растет, а затем резко падает, что переводит аккумулятор в состояние готовности. Заряд длится всего несколько минут, а элементы остаются холодными. Зарядные устройства NiCd с обнаружением NDV обычно реагируют на падение напряжения 5 мВ на элемент.

Для достижения надежной характеристики напряжения скорость зарядки должна быть 0,5C и выше. Более медленная зарядка приводит к менее выраженному падению напряжения, особенно если элементы заряжены несоответствующе, и в этом случае каждый элемент достигает полного заряда в разный момент времени. Для обеспечения надежного обнаружения полного заряда большинство зарядных устройств NDV также используют детектор плато напряжения, который прекращает зарядку, когда напряжение остается в стабильном состоянии в течение заданного времени. Эти зарядные устройства также оснащены датчиком дельта-температуры, абсолютной температуры и таймером ожидания.

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

Быстрая зарядка повышает эффективность зарядки. При скорости зарядки 1C эффективность стандартного NiCd аккумулятора составляет 91 процент, а время зарядки — около часа (66 минут при 91 проценте). На медленном зарядном устройстве эффективность падает до 71 процента, что удлиняет время зарядки примерно до 14 часов при 0,1C.

В течение первых 70 процентов заряда эффективность NiCd аккумулятора близка к 100 процентам. Аккумулятор поглощает почти всю энергию, а сам аккумулятор остается холодным. NiCd аккумуляторы, разработанные для быстрой зарядки, можно заряжать токами, в несколько раз превышающими показатель C, без значительного нагрева. Фактически, NiCd – единственный аккумулятор, который можно сверхбыстро заряжать с минимальной нагрузкой. Элементы, разработанные для сверхбыстрой зарядки, можно зарядить до 70 процентов за считанные минуты.

На рисунке 1 показана взаимосвязь напряжения элемента, давления и температуры заряжаемого никель-кадмиевого аккумулятора. Все идет хорошо примерно до 70 процентов заряда, когда эффективность заряда падает. Элементы начинают выделять газы, давление повышается, а температура быстро растет. Чтобы уменьшить нагрузку на аккумулятор, некоторые зарядные устройства снижают скорость заряда после отметки 70 процентов.

Рисунок 1: Зарядные характеристики NiCd элемента

Эффективность зарядки высокая до 70% SoC*, а затем прием заряда падает. NiMH подобен NiCd. Эффективность зарядки измеряет способность аккумулятора принимать заряд и имеет сходство с кулоновской эффективностью.

* SoC обозначает относительное состояние заряда (RSoC), которое отображает фактическую энергию, которую может хранить аккумулятор. Полный заряд будет показывать 100%, даже если емкость уменьшится.

Никель-кадмиевые аккумуляторы сверхвысокой емкости, как правило, нагреваются больше, чем стандартные никель-кадмиевые аккумуляторы, во время зарядки током 1C и выше, и это частично связано с увеличением внутреннего сопротивления. Для этих более хрупких аккумуляторов рекомендуемым методом быстрой зарядки является применение высокого тока во время начальной зарядки, а затем его снижение до более низкой скорости по мере уменьшения способности к приему заряда. (См. BU-208: Циклические характеристики)

Известно, что чередование импульсов разряда между импульсами заряда улучшает восприятие заряда никелевых аккумуляторов. Этот метод, который обычно называют зарядом «отрыжкой» (burp charge) или «обратной нагрузкой», способствует рекомбинации газов, образующихся во время заряда. Результатом является более холодный и эффективный заряд, чем у обычных зарядных устройств постоянного тока. Также говорят, что этот метод уменьшает «эффект памяти», поскольку аккумулятор заряжается импульсами. Хотя импульсная зарядка может быть полезной для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов, этот метод не применяется к свинцовым и литиевым системам. Эти аккумуляторы лучше всего работают с чистым постоянным напряжением.

После полной зарядки никель-кадмиевый аккумулятор получает капельный заряд 0,05–0,1C для компенсации саморазряда. Чтобы уменьшить возможный перезаряд, разработчики зарядных устройств стремятся достичь самого низкого возможного тока капельного заряда. Несмотря на это, лучше не оставлять никелевые аккумуляторы в зарядном устройстве дольше нескольких дней. Извлеките их и зарядите перед использованием.

Зарядка залитых никель-кадмиевых аккумуляторов

Залитый (Flooded) NiCd заряжается постоянным током примерно до 1,55 В/элемент. Затем ток уменьшается до 0,1C, и зарядка продолжается, пока снова не будет достигнуто 1,55 В/элемент. В этот момент применяется капельный заряд, и напряжение свободно колеблется. Возможны более высокие напряжения заряда, но это приводит к образованию избытка газа и быстрому истощению воды. NDV не применяется, поскольку залитый NiCd не поглощает газы, так как он не находится под давлением.