Особливості заряджання акумуляторів з паразитним навантаженням

Заряджання акумулятора є простим, але складність зростає, коли під час заряджання присутнє паразитне навантаження. Залежно від хімічного складу акумулятора, процес заряджання проходить кілька етапів, і для літій-іонного акумулятора етап 1 складається з заряджання постійним струмом (CC), яке доводить акумулятор приблизно до 70 відсотків стану заряду (SoC). Елемент досягає 4,20 В/елемент, що є загальною межею напруги для літій-іонного акумулятора, після чого етап 2 продовжується застосуванням заряджання постійною напругою (CV). Струм починає падати, коли акумулятор насичується. Повний заряд досягається, коли струм зменшується до типових 0,05 C, що становить одну двадцяту від номінальної ампер-години. Літій-іонний акумулятор не може поглинати перезаряд, і на етапі 3 заряд не застосовується. На рисунку 1 показано типові характеристики напруги, струму та ємності заряджання CCCV.

Рисунок 1: Режим заряджання літій-іонного акумулятора.

Етапи заряджання літій-іонного акумулятора (CCCV)

Для літій-іонного акумулятора використовується метод CCCV (Constant Current, Constant Voltage).

Метод CCCV також використовується для заряджання свинцево-кислотних акумуляторів, з тією різницею, що на третьому етапі застосовується підзарядка, щоб підтримувати повний заряд акумулятора та запобігати сульфатації. Нікелеві акумулятори отримують підзарядку, коли акумулятор повністю заряджений, щоб компенсувати саморозряд. Літій-іонна система настільки ефективна, що надлишковій енергії нікуди не діватися, коли акумулятор повністю заряджений. Вимкнення струму заряду підтримує стабільність акумулятора та дозволяє нейтралізувати напругу. Безперервна підзарядка, також відома як утримання високої напруги, підвищує рівень заряду літій-іонного акумулятора до вище зазначеного верхнього граничного потенціалу. Це може призвести до утворення газу; можливо, до поломки компонентів елемента та, ймовірно, скорочення терміну служби акумулятора та погіршення безпеки.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Типи використання акумулятора

Використання акумулятора можна розділити на три групи. Найпростіша – це режим від’єднання, коли акумулятор заряджається поза пристроєм, не піддаючись впливу паразитного навантаження. Застосування включає мобільні радіостанції, електроінструменти, дрони та загальні прилади. Цей режим від’єднання забезпечує найпростіший метод заряджання, оскільки акумулятор не залежить від пристрою. Більшість комерційних зарядних мікросхем розроблені для роботи в цьому режимі.

Зростаючою тенденцією використання є режим обмеженого заряджання, в якому акумулятор заряджається в обладнанні. Прикладами є смартфони, ноутбуки та деякі медичні пристрої. Акумулятор заряджається в пристрої шляхом підключення до мережі. Доступна потужність змінного струму розподіляється на заряджання акумулятора та роботу пристрою. Після повного заряджання акумулятор відключається від зарядного пристрою, але час від часу може отримувати максимальну зарядку. Зазвичай це відбувається, коли рівень заряду падає до 93 відсотків.

Третя група — це режим під’єднання, коли акумулятор встановлений у пристрої. Типовими застосуваннями є транспортні засоби, що доставляють вантаж до готелю та запускають двигун. У режимі під’єднання акумулятор стає частиною інтегрованої системи, яка заряджається під час роботи. Деякі медичні, військові та промислові пристрої також працюють у режимі під’єднання, забезпечуючи життєво важливі функції. У таблиці 2 підсумовано використання акумулятора в різних середовищах заряджання.

Таблиця 2: Використання акумулятора в різних середовищах заряджання.
Паразитні навантаження додають складності заряджання.

Паразитне навантаження та його вплив

Наявність постійного паразитного навантаження на акумулятор ускладнює процес заряджання. Слід зазначити, що більшість пристроїв споживають певне паразитне навантаження, але струм низький і може складатися з захисної схеми для літій-іонного акумулятора, резервного копіювання пам'яті або роботи годинника. Це не спотворює процедуру заряджання і в більшості випадків може бути ігноровано. Однак паразитне навантаження в підключеному режимі може бути високим і спотворювати характеристику насичення на етапі 2. Такі перешкоди в режимі заряджання вимагають альтернативного механізму виявлення повного заряджання.

Можливими рішеннями є зменшення струму заряду на другому етапі на деякий час, потім вимкнення заряду та застосування підживлювального заряду, коли стан заряду падає до 93 відсотків. Інший метод — підтримувати напругу елемента на рівні 4,20 В/елемент. Це був би найпростіший метод, але більшість виробників літій-іонних акумуляторів не схвалюють цей метод з міркувань безпеки та довговічності. Ще один варіант — зниження напруги заряду зі звичайних 4,20 В/елемент до 4,10 В/елемент. Це зменшує ємність, і виробники елементів вважають це життєздатним, але не зовсім задоволені цим.

Вчені вивчають поведінку літій-іонних акумуляторів при різних режимах утримання високої напруги як функцію добавок електроліту та вибору активних матеріалів. Неофіційні результати показують, що циклічна зарядка/розрядка елементів з тривалим часом утримання при 4,20 В/елемент не призводить до утворення літій-покриття у якісних елементах. Однак елементи нижчої якості можуть розвивати високий імпеданс, що може призвести до утворення літій-покриття при тривалому утриманні при 4,20 В/елемент за підвищених температур до 40°C.

Підтримка високої напруги літій-іонних акумуляторів є делікатним питанням. Було опубліковано мало технічних статей, які б пропонували, як правильно заряджати акумулятор з паразитним навантаженням, а виробники акумуляторів не діляться передовим досвідом. Відомо, що плаваюча зарядка за підвищеної температури може призвести до поломки компонентів елемента, що потенційно може призвести до короткого замикання в елементі. Результати дослідження показують, що цей дефект не обов'язково пов'язаний з літієвим покриттям, яке виникає при перевищенні напруги заряду або під час заряджання нижче нуля. Існують й інші шкідливі наслідки, які потребують подальшого вивчення.

Руйнування компонентів можна зменшити за допомогою добавок до електроліту. Кожен виробник акумуляторів має свій власний секретний інгредієнт і не вагається публікувати його склад. Оскільки куріння та брак фізичних вправ по-різному впливають на здоров'я кожної людини, то також немає узгодженої інформації щодо заряджання конкретної літій-іонної системи з паразитним навантаженням. Схоже, що бракує інформації про вплив утримання високої напруги на літій-іонні акумулятори, особливо під час роботи за підвищеної температури та під час швидкої зарядки.

Порівняння зі свинцево-кислотною системою

Розглянемо свинцево-кислотну систему, яка має схожість з літій-іонною щодо заряджання, але більш поблажлива до перезаряджання. На етапі 1 свинцево-кислотний акумулятор заряджається до 2,40 В/елемент. Застосування повністю насиченого заряду на етапі 2 важливо для запобігання сульфатації. Замість того, щоб знизити струм заряду до нуля, коли він готовий, етап 3 знижує напругу з 2,40 В/елемент до 2,25 В/елемент для підтримки повного заряду. Підтримка свинцево-кислотного акумулятора на високому рівні 2,40 В/елемент призведе до виділення газів та сприятиме корозії пластин. Застосування зниження напруги важливо особливо в стаціонарних системах, де акумулятор постійно заряджається.

Система заряджання в транспортному засобі зазвичай заряджає акумулятор до 14,40 В (2,40 В/елемент) без можливості зниження напруги після повної зарядки. Зниження напруги до 13,50 В (2,25 В/елемент) під час тривалої поїздки було б кращим, але свинцево-кислотні акумулятори є більш поблажливими та переносять цей стан, отримуючи відпочинок, коли автомобіль припаркований.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

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

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

Стартові акумулятори часто замінюють на LiFePO (літій-фосфатні), що працюють від тієї ж системи заряджання. Чотири елементи, з'єднані послідовно, видають 12,80 В, що дорівнює напрузі шести свинцево-кислотних елементів на 2 В, з'єднаних послідовно. Кожен з чотирьох літій-фосфатних елементів досягає максимальної напруги 3,60 В, що є правильною напругою повного заряду. У цей момент заряджання слід відключити, але заряджання автомобільним зарядним пристроєм продовжується під час руху.

Літій-фосфатний акумулятор стійкий до деякого перезаряду, однак, тривале утримання напруги на рівні 14,40 В може призвести до навантаження на акумулятор. Час покаже, наскільки довговічним буде літій-фосфатний акумулятор за умови роботи зі звичайною системою заряджання, запрограмованою на свинцево-кислотний. Літій-фосфатні акумулятори також встановлюються в інвалідні візки, скутери, гольф-кари та комп'ютери на колесах у лікарнях. Доцільно переконатися в сумісності зарядного пристрою під час заміни свинцево-кислотного на літій-фосфатний.

Застосування в авіації та висновки з безпеки

Літак має схожість з транспортним засобом тим, що обидві системи працюють у приєднаному режимі. Як і в транспортному засобі, акумулятор у літаку можна відключити, як тільки допоміжний генератор забезпечує живлення. Стався інцидент, коли нікель-кадмієвий (NiCd) акумулятор перегрівся на Boeing 777 під час польоту. Автоматичний вимикач було вимкнено без інцидентів, щоб відокремити акумулятор від системи.

Пілоти вимагають, щоб акумулятор завжди був повністю заряджений. З нікель-кадмієвим акумулятором, поширеним на борту пасажирських літаків, це не проблема, але Boeing 787 Dreamliner оснащений літій-іонним акумулятором, який працює в режимі підключеного заряду. У 2013 році з цим акумулятором справді виникли проблеми, але експерти кажуть, що пожежі бортового акумулятора були спричинені не неправильним заряджанням, а його дефектами. У той час як рівень відмов якісного літій-іонного акумулятора, виробленого основними виробниками, становить близько 1 на 10 мільйонів, ранні акумулятори Boeing 787 мали рівень відмов 3 на 800.

На початку 1970-х років Національна рада з безпеки на транспорті повідомляла про кілька інцидентів з акумуляторами на рік, пов'язаних з тоді ще новими нікель-кадмієвими акумуляторами, але жоден з них не призвів до жертв. Зрештою, модернізація зробила нікель-кадмієві акумулятори безпечними, і подібні вдосконалення також будуть внесені з літій-іонними акумуляторами на борту літаків.

Однією з великих переваг літій-іонних акумуляторів, окрім вищої питомої енергії, є їх низькі витрати на обслуговування. Однак інженери Boeing звернулися до автомобільного сектору, щоб дізнатися, як великі літій-іонні акумулятори використовуються в електромобілях. Вони виявили, що акумулятор електромобіля має близько 50 точок сприйняття для безпеки; у Boeing 787 їх було менше десяти. Цей недолік тепер виправлено.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше

Короткий зміст

Як слід заряджати літій-іонний акумулятор з паразитним навантаженням? Рішенням є утримання високої напруги шляхом застосування підтримуючого заряду в режимі Attached Mode, але це усуває один рівень надмірності безпеки, що турбує виробників акумуляторів. Якщо підтримуючий заряд вийде з-під контролю, елемент перезарядиться і відбудеться літієвий наліт. Також відомо, що утримання високої напруги при підвищеній температурі призводить до руйнування компонентів елемента. Довгострокові наслідки практичного використання можуть бути ще не повністю вивчені.

Відповіддю на питання безпечної експлуатації літій-іонних акумуляторів у режимі підключеного заряду може бути вибір добавок до електроліту, а також зниження стану повного заряду. Рівень навантаження літій-іонних акумуляторів найнижчий між станом заряду від 30 до 80 відсотків. Електромобілі використовують цю бажану пропускну здатність SoC для досягнення надзвичайно тривалого терміну служби акумулятора, проте акумуляторні батареї повинні бути збільшеного розміру, щоб компенсувати знижену ємність.

Літій-іонні акумулятори оптимізовані для різних застосувань, починаючи від високоенергетичних окремих елементів для споживчих товарів і закінчуючи міцними багатоелементними конфігураціями для медичного, військового та мобільного використання, а також потужними елементами для електроінструментів. Експлуатація літій-іонних акумуляторів у підключеному режимі – це зростаючий ринок, і виробникам акумуляторів потрібно буде врахувати це та створити продукт, який задовольнить потреби цього нового застосування.