Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

На текущий момент на рынке аккумуляторов наиболее распространены следующие типы:

- SLA (Sealed Lead Acid) Герметичные свинцово-кислотные или VRLA (Valve Regulated Lead Acid) клапанно-регулируемые свинцово кислотные. Изготовлены по стандартной технологии. Благодаря конструкции и применяемых материалов, не требуют проверки уровня электролита и доливки воды. Имеют невысокую устойчивость к циклированию, ограниченные возможности работы при низком разряде, стандартный пусковой ток и быстрый разряд.

- EFB (Enhanced Flooded Battery) Технология разработана фирмой Bosch. Это промежуточная технология между стандартной и технологий AGM. От стандартной такие аккумуляторы отличаются более высокой устойчивостью к циклированию, улучшен прием заряда. Имеют более высокий пусковой ток. Как и у SLA\VRLA, есть ограничения работы при низкой заряженности.

- AGM (Absorbed Glass Mat) На текущий момент лучшая технология (по соотношению цена\характеристики). Устойчивость к циклированию выше в 3-4 раза, быстрый заряд. Благодаря низкому внутреннему сопротивлению обладает высоким пусковым током при низкой степени заряженности. Расход воды приближен к нулю, устойчива к расслоению электролита благодаря абсорбции в AGM-сепараторе.

- GEL (Gel Electrolite) Технология, при которой электролит находиться в виде геля. По сравнению с AGM обладают лучшей устойчивостью к циклированию, большая устойчивость к расслоению электролита. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, и высокие требования к режиму заряда.

Существуют еще несколько технологий изготовления аккумуляторов, как связанных с изменением формы пластин, так и специфическими условиями эксплуатации. Не смотря на различие технологий, физико-химические процессы протекающие при заряде - разряде аккумулятора одинаковые. По-этому алгоритмы заряда различных типов аккумуляторов практически идентичны. Различия,в основном, связаны со значением максимального тока заряда и напряжения окончания заряда.

Например, при заряде 12-ти вольтового аккумулятора по технологии:

Определение степени заряженности аккумулятора

Есть два основных способа определения степени заряженности аккумулятора, измерение плотности электролита и измерение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ).

НРЦ - это напряжение на аккумуляторе без подключенной нагрузки. Для герметичных (не обслуживаемых) аккумуляторов степень заряженности можно определить только измерив НРЦ. Измерять НРЦ необходимо не раньше, чем через 8 часов после остановки двигателя (отключения от зарядного устройства), с помощью вольтметра класса точности не ниже 1.0. При температуре аккумулятора 20-25оС (по рекомендации фирмы Bosch). Значения НРЦ приведены в таблице.

(у некоторых производителей значения могут отличаться от приведенных) Если степень заряженности аккумулятора меньше 80%, то рекомендуеться провести заряд.

Алгоритмы заряда аккумуляторов

Существуют несколько наиболее распространенных алгоритмов заряда аккумулятора. На текущий момент большинство производителей аккумуляторов рекомендуют алгоритм заряда CC\CV (Constant Current \ Constant Voltage – постоянный ток \ постоянное напряжение).

Такой алгоритм обеспечивает достаточно быстрый и «бережный» режим заряда аккумулятора. Для исключения долговременного пребывания аккумулятора в конце процесса заряда, большинство зарядных устройств переходит в режим поддержания (компенсации тока саморазряда) напряжения на аккумуляторе. Такой алгоритм называется трехступенчатым. График такого алгоритма заряда представлен на рисунке.

Указанные значения напряжения (14.5В и 13.2В) справедливы при заряде аккумуляторов типа SLA\VRLA,AGM. При заряде аккумуляторов типа GEL значения напряжений должны быть установлены соответственно 14.1В и 13.2В.

Дополнительные алгоритмы при заряде аккумуляторов

Предзаряд У сильно разряженного аккумулятора (НРЦ меньше 10В) увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к ухудшению его способности принимать заряд. Алгоритм предзаряда предназначен для «раскачки» таких аккумуляторов.

Асимметричный заряд Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора можно проводить заряд асимметричным током. При таком алгоритме заряд чередуется с разрядом, что приводит к частичному растворению сульфатов и восстановлению емкости аккумулятора.

Выравнивающий заряд В процессе эксплуатации аккумуляторов происходит изменение внутреннего сопротивления отдельных «банок», что в процессе заряда приводит неравномерности заряда. Для уменьшения разброса внутреннего сопротивления рекомендуется проводить выравнивающий заряд. При этом аккумулятор заряжают током 0.05...0.1C при напряжении 15.6...16.4В. Заряд проводиться в течении 2...6 часов при постоянном контроле температуры аккумулятора. Нельзя проводить выравнивающий заряд герметичных аккумуляторов, особенно по технологии GEL. Некоторые производители допускают такой заряд для VRLA\AGM аккумуляторов.

Определение емкости аккумулятора

В процессе эксплуатации аккумулятора его емкость уменьшается. Если емкость составляет 80% от номинальной, то такой аккумулятор рекомендуется заменить. Для определения емкости аккумулятор полностью заряжают. Дают отстояться в течении 1....5 часов и затем разряжают током 1\20С до напряжения 10.8В (для 12-ти вольтового аккумулятора). Количество отданных аккумулятором ампер-часов является его фактической емкостью. Некоторые производители используют для определения емкости другие значения тока разряда, и напряжения до которого разряжается аккумулятор.

Контрольно-тренировочный цикл

Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора одна из методик это проведение контрольно тренировочных циклов (КТЦ). КТЦ состоят из нескольких последовательных циклов заряда с последующим разрядом током 0.01...0.05С. При проведении таких циклов, сульфат растворяется, емкость аккумулятора может быть частично восстановлена.

8.1. Режим постоянного подзаряда.

Все АБ в электрических сетях и подстанциях должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда.

Полностью заряженную аккумуляторную батарею нужно включать на шины параллельно с постоянно работающим подзарядным агрегатом. Подзарядный агрегат питает нагрузку постоянного тока и вместе с тем подзаряжает АБ, компенсируя ее саморазряд. Концевые АЭ также должны работать в режиме постоянного подзаряда.

При включении мощной толчковой нагрузки, а также при потере питания подзарядного агрегата со стороны сменного тока аккумуляторная батарея принимает на себя вся погрузка сети постоянного тока.

В аварийных режимах АБ также должна обеспечивать работу необходимого оборудования ЭС или ПС на протяжении не менее 1 ч с необходимым уровнем напряжения расчетного режима.

Для аккумуляторной батареи типа СК напряжение подзаряда должно составлять 2,20 ± 0,05 В на АЭ.

Для аккумуляторных батарей типа СН напряжение подзаряда должно составлять 2,18 ± 0,04 В на АЭ при окружающей температуре не выше 35 °С. Если температура выше, то напряжение должно составлять 2,14 ± 0,04 В.

Для аккумуляторных батарей разных фирм, которые используют основные типы аккумуляторов (Vb VARTA, OPzS, GroE и др.) напряжение подзаряда должно составлять 2,23 ± 0,005 В на АЭ при окружающей температуре 20 °С. Для других типов фирменных АЭ (FIAMM, OGi и др.) напряжение подзаряда должно отвечать требованиям технической документации на конкретный тип АЭ завода-изготовителя, фирмы-поставщика ((2,27± 0,03) В; 2,27 В ± 1 %; 2,23 В ± 1 % и т.п.).

Разброс напряжения на отдельных АЭ в составе АБ в режиме подзаряда не должно превышать плюс 0,1 В/минус 0,05 В от напряжения подзаряда.

Разброс температур электролита должен составлять не более 3°С сравнительно с средней температурой электролита аккумуляторных батарей. Средняя температура АБ не должна превышать температуру окружающего воздуха (среды) на 3 °С.

Подзарядная установка должна обеспечивать стабилизацию напряжения на аккумуляторной батарее с отклонениями, которые не превышают требования, установленные заводом-изготовителем, а для фирменных АБ — не более ± 1 % номинального напряжения (или требований, установленных фирмами-поствщиками).

Необходимые конкретные значения тока и напряжения не могут быть заданы раньше времени. Необходимо установить и поддерживать среднее значение напряжения подзаряда и вести надзор за аккумуляторной батареей. Снижение плотности электролита у большинства аккумуляторов свидетельствует о недостаточности тока подзаряда. При этом, как правило, необходимое напряжение подзаряда составляет 2,25 В для аккумуляторов типа СК и не ниже 2,20 В — для аккумуляторов типа СН.

8.2 Режим заряда.

При условии соблюдения требований эксплуатации, а также в зависимости от состояния АБ, местных условий, наличия соответствующих типов зарядных устройств (агрегатов), наличия времени допускается применение любых известных методов заряда и их модификаций:

1. при постоянной силе тока;
2. при плавно нисходящей силе тока;
3. при постоянном напряжении и др.

Метод заряда устанавливается инструкцией предприятия.

При этом не должно быть условий, при которых для конкретных типов АЭ могут возникнуть недопустимые напряжения и ток заряда, превышение температуры электролита и процессы интенсивного газообразования.
Во время заряда через соответствующие промежутки времени следует измерять и регистрировать необходимые параметры для контроля состояния аккумуляторных батарей.

Заряд при постоянной силе тока необходимо выполнять в одну или две степени.

При двухступенчатом заряде ток первой степени не должен превышать для аккумуляторов типа СК 0,25С10, для аккумуляторов типа СН — 0,2С10, для фирменных аккумуляторов, в зависимости от типа — 0,7С10 (до достижению напряжения 2,40 В на АЭ).

При повышении (достижении) напряжения до 2,30-2,35 В/эл. для обычных и 2,40 В на АЭ для фирменных заряд переводят на вторую степень, ток заряда при этом должен быть не более: для аккумуляторов типа СК — 0,12С10, для аккумуляторов типа СН — 0,05С10 и для фирменных аккумуляторов — 0,35С10 .

При одноступенчатом заряде ток не должен превышать значения, которое равно 0,12С10 для аккумуляторов типов СК и СН и 0,15С10-для фирменных аккумуляторов. Заряд током 0,12С10 аккумуляторов типа СН допускается только после аварийных разрядов.

Заряд ведется до постоянного напряжения и плотности электролита на протяжении 1 ч для аккумуляторов типа СК и на протяжении 2 ч — для аккумуляторов типа СН.

Заряд фирменных аккумуляторов ведется до постоянного напряжения на уровне 2,6-2,8 В/эл. и плотности электролита 1,24 ± 0,010 г/см3 (приведенных к температуре 20 °С) на протяжении 2 ч.

Во время заряда фирменных аккумуляторов методом плавно нисходящей силы тока до достижения напряжения 2,4 В/эл. зарядный ток не ограничивается. При напряжении 2,40 В/эл. ток заряда не должен превышать 0,15С10, а при напряжении 2,65 В/эл. — 0,035С10.

Заряд при постоянном напряжении необходимо проводить в одну или две степени.

Заряд в одну ступень ведется при постоянном напряжении 2,15-2,35 В на АЭ обычных типов СК и СН. При этом начальный ток заряда может превышать значение 0,25С10, но потом он автоматически снижается до уровня 0,05С10.

Заряд фирменных аккумуляторов ведется при постоянном напряжении 2,25-2,30 В/эл., при этом начальный ток заряда составляет (0,1-0,3)С10.

Заряд в две ступени обычных типов ведется на первой ступени током, который не превышает 0,25С10, до напряжения 2,15-2,35 В на АЭ, а потом при постоянном напряжении — от 2,15 до 2,35 В/эл.

Фирменные аккумуляторы на первой ступени заряжаются током (0,1-0,15)С10 до достижения напряжения 2,35 В/эл., а на второй ступени поддерживается постоянное напряжение заряда 2,23 В ± 1 %, при этом ток заряда автоматически постепенно снижается. Заряд заканчивается при достижении на протяжении 2 ч постоянных значений напряжения и плотности электролита на АЭ.

Заряд аккумуляторных батарей с элементным коммутатором необходимо проводить в соответствии с инструкцией предприятия.

Во время заряда напряжение, в конце заряда, может достигать 2,60-2,70 В/эл.; заряд сопровождается сильным «кипением» электролита аккумуляторов, который вызовет повышенный износ электродов и сокращение срока службы, в особенности для фирменных аккумуляторов.

При всех зарядах аккумуляторам должно быть сообщено не менее 115 % емкости от снятой на предшествующем разряде.

Во время заряда необходимо измерять напряжение, температуру и плотность электролита аккумуляторов в соответствии с таблицей 8.

Перед включением, через 10 мин после включения и после окончания заряда перед отключением зарядного агрегата необходимо измерять и записать параметры каждого аккумулятора, а во время заряда — контрольных аккумуляторов. Записываются также ток заряда, емкость возрастающим итогом и дату заряда.

Температура электролита во время заряда аккумуляторов типа СК не должна превышать 40°С. При температуре 40°С зарядный ток должен быть снижен до значения, которое обеспечит указанную температуру.
Температура электролита во время заряда аккумуляторов типа СН не должна превышать 35°С. При температуре более 35°С заряд ведется током, который не превышает 0,05С10, а при температуре более 45 °С — током 0,025С10.

В фирменных аккумуляторах типа Vb VARTA, ОPzS, GrоЕ и т.п. соответственно требованиям ТУ и технической документации во время заряда не допускается повышение температуры электролита более 55 °С.
При заряде аккумуляторов типа СН (а также фирменных аккумуляторов, в которых используют специальные фильтры и накладки с клапанным регулированием) постоянной или плавно нисходящей силой тока необходимо снять вентиляционные фильтр-пробки.

8.3. Уравнительный заряд.

Одинаковый ток подзаряда даже при оптимальном напряжении подзаряда аккумуляторных батарей через разность в саморазряде отдельных аккумуляторов может быть недостаточным для поддержания всех аккумуляторов в полностью заряженном состоянии.

Для приведения всех аккумуляторов типа СК в полностью заряженное состояние и для предотвращение сульфатации электродов необходимо проводить уравнительный заряд напряжением 2,30-2,35 В/эл. до достижения постоянного значения плотности электролита во всех аккумуляторах 1,20-1,21 г/см3 при температуре 20 °С.

Частота проведения уравнительных зарядов аккумуляторов и их продолжительность зависят от состояния АБ. Уравнительный заряд необходимо проводить не реже одного раза в год продолжительностью не менее 6 ч.

На те АБ, где по условиям работы электроустановки напряжение подзаряда может поддерживаться лишь на уровне 2,15 В на АЭ, уравнительный заряд необходимо проводить ежеквартально.

Для фирменных АБ необходимость, периодичность и условия выполнения уравнительных зарядов определяются (согласовываются) соответственно технической документации фирм-поставщиков на конкретные типы аккумуляторов.

При снижении уровня электролита до 20 мм над защитным щитком аккумуляторов типа СН следует долить воду и провести уравнительный заряд для полного перемешивания электролита и приведение всех аккумуляторов в полностью заряженное состояние.

Уравнительный заряд ведется при напряжении 2,25-2,40 В/эл. до достижения постоянного значения плотности электролита во всех аккумуляторах 1,240 ± 0,005 г/см3 при температуре 20°С и его уровня 35-40 мм над предохранительным щитком.

Продолжительность уравнительного заряда ориентировочно составляет:

1. при напряжении 2,25 В — 30 суток;
2. при напряжении 2,40 В — 5 суток.

Если во время контроля напряжения на АЭ отклонение его превышает среднее значение на ± 0,05 В, необходимо дополнительно проконтролировать плотность электролита в этом АЭ (и за необходимости скорректировать ее).

Если аккумуляторная батарея имеет единичные аккумуляторы с сниженным напряжением и сниженной плотностью электролита (отстающие аккумуляторы), то для них проводится дополнительный уравнительный заряд от отдельного выпрямительного устройства.

8.4. Разряд аккумуляторных батарей.

АБ, которые работают в режиме постоянного подзаряда, в нормальных условиях практически не разряжаются. Они разряжаются только в случае неисправности или отключения подзарядного устройства, в аварийных условиях или во время проведения контрольных разрядов.

Отдельные аккумуляторы или группы аккумуляторов подлежат разряду во время проведения ремонтных работ или устранение неполадок.

Для аккумуляторной батареи на ПС расчетная продолжительность аварийного разряда устанавливается не менее 1 ч. Чтобы обеспечить указанную продолжительность, разрядный ток не должен превышать значений 18,50 х № А и 25 х № А соответственно.

Для фирменных АБ расчетный разрядный ток определяется соответственно технической документации на конкретный тип АЭ.

При разряде АБ токами, меньшими 10-часового режима разряда, не допускается определять окончания разряда только по напряжению. Конец разряда определяется по таким условиям:

1. снижение плотности электролита до значения 1,15 г/см3 (на 0,03-0,06 г/см3 сравнительно с плотностью электролита в начале разряда);
2. снижение напряжения до 1,80 В;
3. снятие емкости после 10-часового режима.

8.5. Контрольный разряд.

Контрольные разряды одного наиболее отстающего АЭ или проверку работоспособности АБ толчковым током нужно выполнять по утвержденной в установленном порядке программой.

Контрольные разряды необходимо выполнять для определения фактической емкости АБ и проводить 10-часовым или 3-часовым режимом разряда.

Значение тока разряда каждый раз должно быть одинаковым, но не выше максимально допустимого для конкретного типа аккумуляторной батареи.

Для АБ (АЭ), которые используются в отрасли, конечное напряжение контрольных разрядов составляет 1,80 В/эл. во время разрядов 10-, 5-, трехчасовым током разряда и 1,75 В/эл. — во время разрядов одночасовым и 0,5-часовым током разряда.

Фирменные аккумуляторы допускают более глубокие разряды по конечным напряжениям, однако с целью унификации требований на период освоения и приобретения эксплуатационного опыта, конечное напряжение 10-часового контрольного разряда устанавливается 1,80 В/эл.

На ПС контрольные разряды проводятся при необходимости. В тех случаях, если число аккумуляторов недостаточное для обеспечения напряжения на шинах в конце разряда в заданных границах, допускается проводить разряд части основных аккумуляторов.

Контрольные разряды фирменных аккумуляторных батарей типа Vb VARTA, OPzS и т.п. выполняются соответственно требованиям технической документации (ТУ) фирм-поставщиков, но не реже одного раза в пять лет. При выявлении тенденции к снижению фактической емкости АБ ниже номинальной контрольные разряды допускается выполнять каждые шесть месяцев.

Перед контрольным разрядом необходимо провести уравнительный заряд аккумуляторных батарей.

Результаты измерений контрольного разряда необходимо сравнить с результатами измерений предшествующих разрядов. Для более правильной оценки состояния АБ необходимо, чтобы все контрольные разряды данной аккумуляторной батареи велись в том же самом режиме и заносились в журнал АБ.

Перед началом разряда необходимо фиксировать дату разряда, напряжение, плотность электролита каждого аккумулятора и температуру в двух-трех контрольных аккумуляторах.

Во время разряда на контрольных и отстающих аккумуляторах следует измерять напряжение, температуру и плотность электролита в соответствии с таблицей 9.

Таблица №9

На протяжении последнего часа разряда напряжение аккумуляторов нужно измерять через каждые 15 мин.

Контрольный разряд необходимо проводить к напряжению 1,8 В хотя бы на одном аккумуляторе. Для некоторых типов фирменных аккумуляторных батарей в инструкциях предприятия может быть установлено, что контрольный разряд следует прекратить после достижения на выводах полюсов АБ конечного напряжения разряда n х 1,8 В или после завершения соответствующего времени (10 ч).

В конце разряда нужно отобрать пробы электролита из контрольных аккумуляторов для химического анализа и проверки содержимого примесей в соответствии с ГОСТ 667—73, ГОСТ 6709—72, ПУЭ или в соответствии с требованиями фирм-поставщиков.

После первого года эксплуатации АБ типа СК, СН анализ электролита необходимо выполнить из всех АЭ.

В конце разряда на все АЭ следует измерить и записать напряжение, температуру и плотность электролита, а также напряжение между полюсами аккумуляторных батарей и между полюсами АБ и «землей».
Если средняя температура электролита во время разряда будет отличаться от 20 °С, то полученную фактическую емкость необходимо привести к емкости при температуре 20 °С по формуле:

С20 = СФ/1+ α(t-20), где

С20 - емкость, приведенная к температуре 20°С, А х час;
СФ - емкость, фактически отданная во время разряда, А х час;
α - температурный коэффициент, в соответствии с таблицей 10;
t - средняя температура электролита во время разряда, °С.

Таблица №10.

8.6. Доливка аккумуляторов.

Электроды в АЭ всегда должны быть полностью утопленными в электролит.

Уровень электролита в аккумуляторах типа СК необходимо поддерживать на 10-15 мм выше верхнего края электродов. При снижении уровня электролита нужно доливать аккумуляторы дистиллированной водой, проверенной на отсутствие содержимого хлора и железа. Допускается использование парового конденсата в соответствии с ГОСТ 6709—72. Вода может подаваться в придонную часть бака через трубку или в верхнюю его часть. В последнем случае рекомендуется провести подзаряд батареи с «кипением» для выравнивания плотности электролита.

Доливать аккумуляторы с плотностью электролита ниже 1,20 г/см3 электролитом плотностью 1,18 г/см3 можно только при выявлении причин снижения плотности.

Уровень электролита в аккумуляторах типа СН должен быть в границах от 20 до 40 мм над предохранительным щитком. Если доливка происходит при снижении уровня до минимальной границы, необходимо провести уравнительный заряд.

В нормальных условиях эксплуатации некоторые аккумуляторы (типа «Монолит», SMG и др.), в особенности с клапанным регулированием (типа VRLA и др.), не нуждаются в доливке электролита на протяжении всего срока службы. Для некоторых типов аккумуляторов (фирмы VARTA и др.) интервалы доливки могут составлять более трех лет.

Необходимо иметь в виду, что наиболее часто при нижнем уровне электролита плотность электролита повышается, поэтому следует доливать дистиллированную воду соответствующего качества (ГОСТ 6709—72). Доливать воду необходимо не позднее, чем уровень электролита снизится к отметке нижнего допустимого уровня. В фирменные аккумуляторы электролит доливается до уровня, который находится на 5-10 мм ниже нанесенного максимально допустимого уровня «макс».

Для достижения однородности электролита необходимо выполнить уравнительный заряд.

Сихуа Уэн (Sihua Wen), инженер по применению аккумуляторных батарей, Texas Instruments

Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда - это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments - BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, - необходимы для реализации этого метода.

ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?

Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене - батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.

МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ

Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей - активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить - использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.

ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ

Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.

Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 - измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению

Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей

Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Q NEED , необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между Q NEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).

Рис. 4.

АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.

Рис. 5.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:

• по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
• по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
• по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)

Рис. 6.

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.

ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ

Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы R Ext1 и R Ext2 , включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор R Bal .

Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов

Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор R Ext2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток V DS , которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение V DS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы - ограничение максимального значения резистора R Ext или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.

Метод быстрой балансировки - новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели - балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Корректная балансировка напряжения батарей - один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.

Одинаковый ток подзаряда даже при оптимальном напряжении подзаряда батареи может быть недостаточным для поддержания всех элементов батареи в полностью заряженном состоянии. Это происходит из-за различий в саморазряде отдельных элементов.

Для приведения всех элементов АБ в полностью заряженное состояние и для предупреждения сульфатации электродов необходимо проводить уравнительные заряды напряжением 2,30ч2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,20ч1,21г/см3 при температуре 20 °С. Уравнительный заряд проводят по программе. Производить уравнительный заряд батареи должен работник, ответственный за эксплуатацию АБ.

Для фирменных батарей необходимость, периодичность и условия выполнения уравнительных зарядов определяют в соответствии с технической документацией фирм-поставщиков или заводов-изготовителей.

Частота проведения уравнительных зарядов и их продолжительность зависят от состояния батареи и должны быть не реже одного раза в год с продолжительностью не менее 6 часов. На тех АБ, где по условию работы электроустановки напряжение подзаряда может поддерживаться только на уровне 2,15 В на элемент, уравнительные заряды необходимо проводить ежеквартально

Если во время контроля отклонение напряжения на АЭ превышает среднее значение на ±0,05 В, то необходимо дополнительно проконтролировать плотность электролита в этом элементе (и при необходимости скорректировать ее). Если в АБ имеются единичные элементы с пониженным напряжением и сниженной плотностью электролита (отстающие аккумуляторы), то для них необходимо проводить дополнительный уравнительный заряд от отдельного выпрямительного устройства.

Уравнительный заряд производится без вывода АБ из работы. Зарядное устройство включается по схеме заряда на все элементы (основные и концевые). Номинальное напряжение на шинах постоянного тока поддерживается при помощи переключения шинок управления в положение 100го элемента. Для выравнивания тока заряда необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление между 100м и последним элементом (RН1).

В том случае, если аккумуляторная батарея имеет дополнительные элементы, то необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление параллельно этим элементам (Rн2).Возможен вариант использования одного регулируемого сопротивления, в нормальном режиме подключенного между 108-120 эл., которое при уравнительном заряде подключается к 100 - 120 эл.

Контрольный разряд АБ

Контрольный разряд АБ на ПС производится с целью определения ее фактической емкости током 10ти или 3х часового режима разряда. Решение о проведении контрольного разряда оформляется после анализа ее состояния и работоспособности по результатам инспекторских осмотров, проверки толчковым током, наличии значительного количества отстающих элементов, наличии невыясненных причин отказов включения масляных выключателей. Контрольный разряд выполняет лицо, ответственное за эксплуатацию АБ, при наличии разрешенной заявки и в соответствии с утвержденной главным инженером МЭС программой.

Перед контрольным разрядом АБ необходимо произвести уравнительный заряд АБ. Перед началом разряда необходимо зафиксировать дату разряда, напряжение, плотность электролита каждого АЭ и температуру в контрольных элементах.

Глубина разряда должна строго контролироваться по двум параметрам: по напряжению и плотности электролита. Если контрольный разряд проводится током 3х или 10ти часового режима разряда, то в этом случае разряд должен прекращаться при достижении хотя бы на одном элементе напряжения 1,8 В. При разряде малыми токами разряд должен прекращаться:

· при снижении напряжения до 1,8 В хотя бы на одном элементе;

· при снижении плотности электролита до значения с= 1,15 г/см3 (на 0,03ч0,05 г/см3 против первоначальной плотности в начале разряда)

· при снятии номинальной емкости 10ти часового режима разряда.

При разряде не допускается отнимать от АБ емкость, большую гарантированной для данного режима разряда. Во время разряда на контрольных и отстающих АЭ следует измерять температуру и плотность электролита согласно с таблицей №2.

Таблица №2 Объем необходимых измерений при разряде АБ

В конце разряда на всех элементах АБ необходимо измерить и записать напряжение, температуру и плотность электролита, а также напряжение между полюсами АБ и между каждым полюсом и «землей». Отобрать пробы электролита из контрольных элементов для химического анализа и проверки содержания примесей в электролите. После первого года эксплуатации анализ электролита необходимо выполнить из всех элементов АБ.

Значение тока разряда каждый раз должно быть одно и то же Результаты измерений при контрольных разрядах должны сравниваться с результатом измерений предыдущих разрядов. Их значения не должны отличаться более чем на 10 %.

Если при контрольном разряде выяснится, что емкость АБ значительно отличается от номинальной, необходимо проверить емкость электродов при помощи кадмиевого электрода и в зависимости от результатов проверки наметить мероприятия по восстановлению емкости АБ.

В большинстве своем стационарные аккумуляторы используют свинцово-кислотную электрохимическую систему, которая требует некоторого обслуживания, в том числе в виде уравнительного заряда. Периодическое применение уравнительного заряда позволяет выровнять характеристики всех элементов к одному уровню путем приложения зарядного напряжения 2,50 В на элемент, что примерно на 10 процентов выше обычного значения.

Уравнительный заряд – это не более, чем преднамеренный перезаряд для удаления с пластин кристаллов сульфата свинца, которые накапливаются с течением времени. Если не контролировать состояние аккумулятора, процессы сульфатации могут снизить общую емкость или даже вывести аккумулятор из строя. Уравнительный заряд также борется с кислотной стратификацией - состоянием, при котором концентрация кислоты в нижней части батареи становится выше, чем в верхней.

Эксперты рекомендуют производить обслуживающий уравнительный заряд один или два раза в год. Лучшим методом узнать о его необходимости является применение полной зарядки в режиме насыщения, с дальнейшим сравнением удельной плотности каждого элемента затопленного свинцово-кислотного аккумулятора с помощью ареометра. Если разница между удельной плотностью разных элементов составляет более 0,030, то это свидетельствует о необходимости применения уравнительного заряда.

Во время уравнительного заряда проверяйте удельную плотность элементов каждый час и не прекращайте зарядку до тех пор, когда плотность не перестанет расти. Прекращение увеличения плотности будет говорить о том, что никакие дальнейшие улучшения в аккумуляторе уже невозможны, и дальнейшая зарядка может только навредить.

Заряжаемый аккумулятор должен находиться в прохладном месте и под неусыпным вниманием - возможно чрезмерное тепло- и газообразование. Умеренное газообразование является нормальным явлением, но в любом случае аккумулятор должен заряжаться в вентилируемом помещении, так как всего 4-х процентная концентрация водорода в воздухе уже взрывоопасна.

Целесообразность применения уравнительного заряда к VRLA и другим герметичным аккумуляторам не находит общего мнения. Некоторые производители рекомендуют производить уравнительный заряд таких аккумуляторов ежемесячно в течение 2-16 часов. Но следует помнить, что перезаряд герметичных аккумуляторов приводит к чрезмерному газообразованию и срабатыванию 34 кПа клапана, вследствие чего может произойти истощение электролита.

Не все зарядные устройства имеют функцию уравнительного заряда. Не следует проводить такой заряд не предназначенным для этого устройством.