Зарядка при высоких и низких температурах

Общие рекомендации

Аккумуляторы работают в широком диапазоне температур, но это не позволяет заряжать их в экстремальных условиях. Процесс зарядки более деликатный, чем разрядки, и требует особой осторожности. Экстремальный холод и высокая температура снижают способность к зарядке, поэтому перед зарядкой аккумулятор следует нагреть до умеренной температуры.

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

Особенности различных технологий

Более старые технологии, такие как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуляторы, имеют более высокие допустимые значения для зарядки, чем более новые, например, литий-ионные. Это позволяет им заряжаться при температуре ниже нуля с пониженным коэффициентом C. Никель-кадмиевые аккумуляторы более устойчивы к холодной зарядке, чем никель-металлгидридные, свинцово-кислотные также устойчивы, но литий-ионные требуют особого ухода.

Допустимые температуры для зарядки и разрядки

В таблице ниже приведены допустимые температуры зарядки и разрядки стандартных аккумуляторов. Специальные батареи, предназначенные для зарядки вне этих пределов, здесь не учтены.

Таблица 1: Допустимые температурные пределы для различных аккумуляторов

Аккумуляторы можно разряжать в широком диапазоне температур, но температура зарядки ограничена. Для наилучших результатов заряжайте при температуре от 10°C до 30°C (от 50°F до 86°F). Уменьшайте ток зарядки, когда аккумуляторы холодные.

Рекомендации при низких температурах

Никелевые аккумуляторы: Быстрая зарядка большинства аккумуляторов ограничена температурой от 5°C до 45°C (от 41°F до 113°F). Для наилучших результатов рассмотрите возможность сужения температурного диапазона до 10°C - 30°C (от 50°F до 86°F), поскольку способность к рекомбинации кислорода и водорода уменьшается во время зарядки никелевых аккумуляторов при температуре ниже 5°C (41°F). Если заряжать слишком быстро, в элементе накапливается давление, что может привести к вентиляции. Уменьшите ток зарядки всех никелевых аккумуляторов до 0,1C при зарядке при температуре ниже нуля.

Никелевые зарядные устройства с функцией обнаружения полного заряда NDV (отрицательная дельта V) предлагают определенную защиту во время быстрой зарядки при низких температурах. Плохое восприятие заряда в холодную погоду имитирует полностью заряженный аккумулятор. Частично это вызвано высоким накоплением давления из-за пониженной способности к рекомбинации газов при низкой температуре. Повышение давления и падение напряжения при полном заряде кажутся синонимами.

Чтобы обеспечить быструю зарядку при любой температуре, некоторые промышленные аккумуляторы добавляют термоодеяло, которое нагревает аккумулятор до приемлемой температуры; другие зарядные устройства регулируют скорость зарядки в соответствии с текущей температурой. Потребительские зарядные устройства не имеют таких функций, и конечному пользователю рекомендуется заряжать только при комнатной температуре.

Свинцово-кислотные: Свинцово-кислотные аккумуляторы достаточно устойчивы к экстремальным температурам, как показывают стартерные аккумуляторы в наших автомобилях. Частично эта устойчивость объясняется их медленным поведением. Рекомендуемая скорость зарядки при низкой температуре составляет 0,3°C, что почти идентично нормальным условиям. При комфортной температуре 20 ° C (68 ° F) газообразование начинается при напряжении зарядки 2,415 В/элемент. При достижении –20 ° C (0 ° F) порог газообразования повышается до 2,97 В/элемент .

Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания

Купить

Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем

Купить

AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)

AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике

Купить

Посмотреть больше

Свинцово-кислотный аккумулятор заряжается постоянным током до установленного напряжения, которое обычно составляет 2,40 В/элемент при комнатной температуре. Это напряжение зависит от температуры и устанавливается выше, когда аккумулятор холодный, и ниже, когда теплый. На рисунке 2 показаны рекомендуемые настройки для большинства свинцово-кислотных аккумуляторов. Параллельно на рисунке также показано рекомендуемое напряжение поддерживающего заряда, к которому зарядное устройство возвращается после полного заряда аккумулятора. При зарядке свинцово-кислотного аккумулятора при колебаниях температуры зарядное устройство должно иметь функцию регулировки напряжения, чтобы минимизировать нагрузку на аккумулятор. 

Рисунок 2: Напряжение элементов во время зарядки и поддержки при разных температурах

Замерзание свинцово-кислотного аккумулятора приводит к его необратимому повреждению. Всегда держите аккумуляторы полностью заряженными, так как в разряженном состоянии электролит становится более водоподобным и замерзает раньше, чем когда он полностью заряжен. Согласно BCI (Международный совет по аккумуляторам), удельный вес 1,15 имеет температуру замерзания –15°C (5°F). Для сравнения, удельный вес 1,265 с полностью заряженным стартерным аккумулятором составляет –55°C (–67°F). Залитые свинцово-кислотные аккумуляторы, как правило, трескают корпус и вызывают утечку, если замерзнут, герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы теряют мощность и выдерживают всего несколько циклов, прежде чем они обезвоживаются и требуют замены.

Литий-ионный: Литий-ионный аккумулятор можно быстро заряжать от 5°C до 45°C (от 41 до 113°F). При температуре ниже 5°C ток заряда следует уменьшить, а при температуре ниже 0°C зарядка запрещена из-за снижения скорости диффузии на аноде. Во время зарядки внутреннее сопротивление элемента вызывает незначительное повышение температуры, что компенсирует часть холода. Внутреннее сопротивление всех аккумуляторов возрастает в холодном состоянии, заметно удлиняя время зарядки. Это также заметно влияет на характеристики разрядки литий-ионных аккумуляторов.

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

Многие пользователи аккумуляторов не знают, что потребительские литий-ионные аккумуляторы нельзя заряжать при температуре ниже 0°C (32°F). Хотя аккумулятор, кажется, заряжается нормально, во время зарядки при температуре ниже нуля на аноде происходит покрытие металлическим литием, что приводит к постоянному ухудшению производительности и безопасности. Аккумуляторы с литиевым покрытием более уязвимы к выходу из строя, если их подвергать вибрации или другим стрессовым условиям. Современные зарядные устройства (Cadex) предотвращают зарядку литий-ионных аккумуляторов при температуре ниже нуля.

Достигаются успехи в зарядке литий-ионных аккумуляторов при температурах ниже нуля. Зарядка действительно возможна для большинства литий-ионных элементов, но только при очень низких токах. Согласно исследовательским работам, допустимая скорость зарядки при –30°C (–22°F) составляет 0,02°C. При таком низком токе время зарядки может превысить 50 часов, что считается непрактичным. Однако существуют специальные литий-ионные аккумуляторы, которые могут заряжаться до –10°C (14°F) с пониженной скоростью.

Некоторые производители литий-ионных аккумуляторов предлагают изготовленные на заказ элементы для холодной зарядки. Также понадобятся специальные зарядные устройства, которые снижают коэффициент заряда (C-rate) в зависимости от температуры и заряжают аккумулятор до более низкого пикового напряжения; например, 4,00 В/элемент вместо обычных 4,20 В/элемент. Такие ограничения уменьшают энергию, которую может удерживать литий-ионный аккумулятор, примерно до 80% вместо обычных 100%. Время зарядки также увеличится и может длиться 12 часов и дольше в холодном состоянии.

Литий-ионные аккумуляторы, заряжаемые при температуре ниже 0°C (32°F), должны пройти проверку регуляторными органами, чтобы засвидетельствовать отсутствие литиевого покрытия. Кроме того, специально разработанное зарядное устройство будет поддерживать заданный ток и напряжение в безопасных пределах во всем температурном диапазоне. Сертификация таких аккумуляторов и зарядных устройств очень дорогая, что отразится на цене. Подобные регуляторные требования также применяются к искробезопасным аккумуляторам.

Производители элементов питания и зарядных устройств утверждают, что заряжают литий-ионные аккумуляторы при низких температурах; однако большинство компаний не хотят рисковать потенциальной неисправностью и брать на себя ответственность. Да, литий-ионные аккумуляторы будут заряжаться при низкой температуре, но исследовательские лаборатории, анализирующие эти аккумуляторы, получают тревожные результаты.

Рекомендации при высоких температурах

Тепло – худший враг аккумуляторов, включая свинцово-кислотные. Добавление температурной компенсации в зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов для учета колебаний температуры, как говорят, продлевает срок службы аккумулятора до 15 процентов. Рекомендуемая компенсация – падение на 3 мВ на элемент на каждый градус повышения температуры по Цельсию. Если напряжение поддерживающего тока установлено на 2,30 В/элемент при 25°C (77°F), напряжение должно составлять 2,27 В/элемент при 35°C (95°F). При понижении температуры напряжение должно составлять 2,33 В/элемент при 15°C (59°F). Эти корректировки на 10°C представляют изменение на 30 мВ.

В таблице 3 указано оптимальное пиковое напряжение при различных температурах во время зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. В таблице также приведено рекомендуемое напряжение поддержки заряда в режиме ожидания.

Таблица 3: Рекомендуемые пределы напряжения
во время зарядки и поддержки стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов в режиме поддерживающего заряда. Компенсация напряжения продлевает срок службы аккумулятора при работе в экстремальных температурах.

Зарядка никелевых аккумуляторов при высоких температурах снижает образование кислорода, что уменьшает принятие заряда. Тепло заставляет зарядное устройство думать, что аккумулятор полностью заряжен, хотя это не так.

Зарядка никелевых аккумуляторов в теплом состоянии снижает образование кислорода, что уменьшает принятие заряда. Тепло заставляет зарядное устройство думать, что аккумулятор полностью заряжен, хотя это не так. На рисунке 4 показано значительное снижение эффективности заряда от «линии эффективности 100 процентов» при температуре выше 30 ° C (86 ° F). При 45 ° C (113 ° F) аккумулятор может принять только 70 процентов своей полной емкости; при 60 ° C (140 ° F) принятие заряда снижается до 45 процентов. NDV для обнаружения полного заряда становится ненадежным при более высоких температурах, и измерение температуры важно для резервного копирования .

Рисунок 4: Зависимость принятия заряда NiCd от температуры

Высокая температура снижает пригодность к заряду и отклоняется от пунктирной «линии 100% эффективности». При 55°C коммерческие NiMH имеют эффективность заряда 35–40%; более новые промышленные NiMH достигают 75–80%.

Литий-ионный аккумулятор хорошо работает при повышенных температурах, но длительное воздействие тепла сокращает срок службы. Зарядка и разрядка при повышенных температурах в зависимости от образования газа, что может привести к вентиляции цилиндрического элемента и разбуханию мешочного элемента. Многие зарядные устройства запрещают зарядку при температуре выше 50°C (122°F).

Некоторые литиевые аккумуляторы кратковременно нагреваются до высоких температур. Это касается аккумуляторов в хирургических инструментах, которые стерилизуются при температуре 137°C (280°F) в течение 20 минут в рамках автоклавирования. Бурение нефтяных и газовых скважин как часть фрекинга также подвергает аккумулятор воздействию высоких температур.

Потеря емкости при повышенной температуре напрямую связана с состоянием заряда (SoC). На рисунке 5 показано влияние литий-кобальта (LiCoO2), который сначала циклически нагревают при комнатной температуре (RT), а затем нагревают до 130°C (266°F) в течение 90 минут и циклически нагревают при 20, 50 и 100 процентах SoC. При комнатной температуре заметной потери емкости нет. При 130°C с 20-процентным SoC незначительная потеря емкости заметна в течение 10 циклов. Эта потеря выше при 50-процентном SoC и имеет разрушительный эффект при циклической зарядке с полным зарядом.

Рисунок 5: Потеря емкости при комнатной температуре (RT) и 130°C в течение 90 минут

Тест: Элементы LiCoO2/графит подвергали воздействию температуры 130°C в течение 90 минут при различных температурах нагрева (SoC) между каждым циклом.