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.

В качестве примера рассмотрена классическая батарея немецкого концерна Hawker Gmbh - Perfect Plus. Ничего сложного в уходе за батареей нет. Необходимо лишь четко по инструкции и в определенные сроки производить ряд операций, которые позволят максимально долго работать приобретенной Вами батарее, а значит, - сэкономит Ваши средства.

Особые свойства свинцовых батарей:

Емкость 5-ти часовая, т.е. номинальная емкость может быть получена при разряде постоянным током в течение 5 часов до установленного конечного напряжения разряда 1,7 В/элемент при исходной температуре ЗО С.

Напряжение Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 2 В. Нормы номинального напряжения тяговых батарей: 24 В, 48 В, 72В, 80 В.

Рабочее напряжение одной тяговой батарей зависит от величины тока разряда, степени разряда и температуры. Установленное конечное напряжение разряда при 5-ти часовом разряде составляет 1,7 В/элемент.

Плотность электролита в полностью заряженном состоянии, при температуре ЗО С составляет 1,29 кг/л.

Стойкость и срок службы батарей. Под стойкостью понимается результат длительного испытания в лабораторных условиях, при которых батарея подвергается циклам заряд-разряд по точно определенной программе. Следует получить как минимум такое количество циклов, которое не приведет к снижению емкости ниже 80% от ее номинальной величины. Соответствующая методика изложена в DIN 43539, часть 3.

Действительный срок службы может быть больше или меньше чем стойкость, так как многочисленные факторы воздействия при эксплуатации ведут к нагрузкам, отличным от нагрузок в лабораторных условиях.

Факторы воздействия, ведущие к увеличению срока службы батареи:

безупречные уход и обслуживание

нормальные рабочие температуры (от 20 С до 40 С)

безупречные зарядные устройства

избегать глубоких разрядов

своевременное устранение неисправностей

Воздействия, ведущие к сокращению срока службы:

частые глубокие разряды, т.е. снятие более 80% номинальной емкости

повышенные рабочие температуры (> 40 С) в течение длительного времени

заряд недопустимо высоким током после достижения напряжения газообразования (2,4 В/элемент)

нахождение батареи в разряженном состоянии

наличие примеси, попавшей в электролит (например воды для долива, не соответствующей требованиям)

перегрузка или короткое замыкание

Обслуживание и уход за тяговыми батареями Общие правила эксплуатации:

Никогда не оставлять батарею в разряженном состоянии, а сразу провести повторный заряд.

Для достижения оптимального срока службы избегать разрядов более80% номинальной емкости; при этом плотность электролита не должна быть ниже 1,13 кг/л (300С).

Во избежание глубоких разрядов необходимо следить за разрядом аккумуляторов транспортных средств.

Рабочая температура должна соответствовать 20 С – 40 С.

Во избежание повреждений батареи нельзя превышать максимально допустимую температуру электролита 55 С.

Перед зарядом и при промежуточных зарядах необходимо обязательно снять или открыть крышку контейнера или закрывающее устройство батареи. Закрыть не ранее чем через 1/2 часа после окончания заряда.

Зарядные устройства должны соответствовать емкости батареи и требуемому времени заряда.

Для долива используется только дистиллированная вода согласно DIN 43530 часть 4, не следует доливать кислоту или применять добавки.

Заряд батареи (ежедневные работы):

Необходимо отключить батарею путем отсоединения штекера от розетки. удалить крышку батареи. При этом пробки остаются закрытыми.

Проверить уровень электролита на отметке «мин».

После этого необходимо измерить температуру электролита. При превышении 45 С - охладить.

Подключить штекер. При необходимости соединить систему перемешивания электролита (для штекеров без интегрированной системы вывода воздуха).

Включить зарядное устройство или проверить, включено ли устройство.

Начать процесс зарядки батареи.

После зарядки отключить зарядное устройство или проверить, отключено ли устройство, затем отсоединить батарею от зарядного устройства. При необходимости проверить конечные результаты.

При недостаточном заряде или после глубокого заряда провести уравнительный заряд.

Очистка (ежедневные работы):

Грязь и пыль, которые скапливаются на поверхности элементов во время работы, необходимо удалять в зависимости от потребностей и от эксплуатации батареи (ветошь, влажный пар от 100 С до 150 С, с помощью шланга с насадкой).

Долив воды (еженедельные работы):

Необходимо также вести контроль уровня электролита. По крайней мере, один раз в неделю. В том случае, если нет автоматического долива, сделать долив очищенной воды согласно DIN 43530 часть 4 в конце заряда.

После заряда необходимо проверить уровень электролита во всех элементах и дополнить его дистиллированной водой.

Необходимо также один раз в неделю проводить уравнительный заряд.

Напряжение, плотность и температура (ежемесячные работы):

Один раз в месяц необходимо провести работу по проверке всех элементов на равномерность выделения газа.

После окончания заряда или уравнительного заряда следует измерить плотность кислоты и температуру и выборочно внести в технологическую карту батареи отклонения от нормативных величин.

Если были установлены существенные различия между элементами, то такие элементы необходимо исследовать отдельно.

Также необходимо измерить напряжение, плотность и температуру элементов.

Работы, выполняемые каждое полугодие и каждый год: .

проверить правильность функционирования зарядного устройства, в первую очередь ток заряда в начале газовыделения (2,4 В/элемент) и в конце заряда.

проверить штекер и штекерное устройство.

исправить небольшие повреждения изоляции контейнера (нанесенный слой) сразу после удаления или нейтрализации следов кислоты (соблюдать рекомендации изготовителя).

следует измерить сопротивление изоляции батарей по отношению к массе в соответствии с DIN 43539 часть 1 при разомкнутой внешней электрической цепи.

измерить сопротивление изоляции: 50 Ом на каждый Вольт номинального напряжения.

почистить батарею при плохом со противлении изоляции.

Хранение

В случае, если в течение длительного периода не планируется эксплуатация батарей, их хранение должно производиться в полностью заряженном состоянии в сухом помещении при температуре выше 0 С.

Для поддержания эксплутационной готовности батареи следует использовать следующие зарядные режимы:

Ежемесячный уравнительный заряд

Поддерживающий заряд при зарядном напряжении 2,23 В х количество элементов (30 С)

Как избежать повреждений и несчастных случаев?

Во избежание повреждений, коротких замыканий, искр, не класть металлические предметы и инструменты на батареи.

Транспортировать батареи только посредством соответствующих подъемных устройствах (согласно VDE 3616).

При работе с батареями следует соблюдать соответствующие правила техники безопасности, а также DIN VDE 0510 и VDE 0105 часть 1.

Срок хранения

Следует учитывать влияние срока хранения на срок службы батареи. Следует помнить, что правильно выбранные подъемные устройства препятствуют деформированию корпуса батареи и защищают таким образом покрытие контейнера. Подъемные устройства должны соответствовать геометрии батареи.

Речь идет о батареях, которые эксплуатируются в зонах повышенной взрывоопасности. Крышки корпуса батареи во время заряда и последующего отвода газов должны быть открыты с тем, чтобы образующаяся взрывоопасная газовая смесь при достаточной вентиляции потеряла свою способность к возгоранию.

Чудесные зарядки, десульфаторы, эквалайзеры, а вы знаете что то что многие им приписывают от незнания называются простым словом, алгоритм заряда. Я долго про это говорю и тем не менее все больше каких-то чудесных устройств и чудесных рассказов я слышу, о подобных устройствах. Странно, почему я обычный инженер уже через месяц наблюдений высказываю и рассказываю об этих алгоритмах, и оказывается они могут совпадать с другими типами устройств. То есть алгоритм у эквалайзера и, например, алгоритм ЗУ, или алгоритм ЗУ инвертора с эффектом выравнивания заряда, могут совпадать между собой.

Внимание: тут я не имею в виду и не говорю что они идентичны, так как в большинстве случаев он может допиливаться или писаться еще на теле МП -микропрограммы каждым самостоятельно с нуля. Формы импульсов и время импульсов, и импульс изменения напряжения, и тока могут отличатся, и иметь разный временной диапазон. Но зачастую, в 50% случаев они могут быть схожи. Если не по времени, то по формам сигнала, если не по форме сигнала, но приближенные к ней.

Дабы каждый производитель опирается на свои наблюдения и свои данные.

Так вот сам по себе этот метод рабочий что у ЗУ, что у эквалайзера, что у ЗУ инверторов. Очень полезная микропрограмма, которая позволяет АКБ прослужить хоть не на 50% дольше, но на 10% шанс увеличить их жизнь существует.

Вообще, если АКБ вышел из строя, многие до сих пор рассказывают и верят в сказки. Покупают подобные вышеописанные устройства и ждут чуда. Но, к сожалению, это устройство ничего не воскрешает и ничего не восстанавливает. Его задача проводить профилактику АКБ в режиме реального времени. Вот именно из-за этой профилактики АКБ начинают вести себя стабильней, не уходят, например, при последовательном подключении один в перезаряд другой не в до заряд.

Как говорится, лучше вовремя делать профилактику, чем потом четно пытаться устранить последствия.

Да наслушался сказок я про эти чудо устройства, 4 года собирал свою статистику, и вот наконец все сложилось. Конечно же, разбор устройства точно расставит все точки над И и наличие дросселя или ваттных сопротивлений скажет о том, что есть раскачка. Но это не говорит о том что один АКБ должен разряжаться, заряжая другой, это ребятки полный бред 🙂

Ибо задача этих устройств выравнивать напряжение банок АКБ, которых у 12 вольтового АКБ 6, у щелочного 10, и соответственно в два раза больше у 24 вольтового АКБ и так далее.

Честно я думал по началу что это устройство разряжает заряженный АКБ, но посмотрев результат уже на второй год я от этого отказался. Принцип схож с десульфатором, но алгоритмы другие. В общем в будущем расковыряю и произведу полное тестирование. Устройство мне никто не дарил и оно было куплено за личные средства и это мое мнение. Больше инфы, больше и точнее будут данные. Но факт в том, что они уже не совпадают с мнением большинства — это точно.

При работе аккумуляторных стеков в буферном или циклическом режиме, а также при расширении подобных систем, возможно неравномерное распределение отдачи электрической энергии, что приводит к более быстрому устареванию АКБ. Как правильно проводить выравнивание заряда аккумулятора читайте в этой статье.

Периодическое выравнивание электрического заряда аккумуляторов в системе – это необходимый процесс, обеспечивающий правильную работу оборудования. Если несколько АКБ связаны в цепь, со временем может произойти разбалансировка – заметное изменение напряжения отдельных батарей. Чтобы этого избежать, рекомендуется раз в полгода осуществлять ребалансировку. Обычно ее проводят, используя повышенное напряжение, на протяжении двадцати четырех часов. Узнать конкретное напряжение можно из спецификации аккумулятора на нашем сайте, посмотреть данные на сайте производителя или уточнить у продавца.

Многоуровневые системы – краткая характеристика и назначение

Системы, использующие несколько аккумуляторных батарей, широко используются в быту и на производстве. Про схемы подлючения аккумуляторов в многоуровневые системы . Здесь же нужно сказать, что они весьма полезны для длительного обеспечения бесперебойным электропитанием котлов отопления, а также для создания «зеленых» систем энергетики, работающих от солнечных батарей и ветро генераторов. Ведь, кроме того, что нужно произвести электричество, его надо еще где-то накапливать и хранить. Именно для этих целей необходимы системы из нескольких аккумуляторных батарей, при помощи которых из 12-вольтовых АКБ можно собрать систему любой емкости и вольтажа.

Как уже было сказано выше, при длительной работе возникают проблемы, связанные с разбалансировкой АКБ, далее мы поговорим об этом подробнее.

Для того чтобы избежать разбалансированности заряда в новых батареях рекомендуется покупать сразу все батареи одного производителя, одинаковой серии, типа и емкости с одинаковой датой выпуска. При нарушении данных правил или расширении системы - выравнивание заряда аккумуляторов нужно производить обязательно!

Если в процессе службы системы бесперебойного питания возникает необходимость расширения по емкости, то самым идеальным вариантом будет подобрать дополнительную батарею исходя из вышеперечисленных требований не более года в разнице по дате выпуска.

Дело в том, что спустя год после работы такой системы в свинцово-кислотных аккумуляторах глубокого разряда могут происходить необратимые процессы и нормальная совместная их работа не гарантирована. Т.е. новая батарея может быть выведена из строя более старыми. При существенном различии в дате производства год и более, послепродажная гарантия производителя на новую батарею может быть потеряна!

Разбалансировка – что это такое и как с ней бороться

Время от времени, во всех системах, использующих АКБ с последовательным, параллельным или смешанным типом подключения возникает разбалансировка заряда. Из-за нее происходит ухудшение работоспособности аккумуляторов, уменьшение емкости и выход из строя отдельных батарей раньше паспортного срока.

Проблема в том, что все АКБ немного отличаются друг от друга, даже если это батареи одной марки. При создании блока АКБ, эти отличия могут усиливаться. Предположим, в системе есть батарея с сопротивлением, немного большим, чем у соседних. Естественно, при зарядке, напряжение на ней будет несколько выше, может даже сработать защита от повышенного напряжения. Во время отдачи электроэнергии напряжение этой батареи будет самым меньшим, как и ее емкость. Все это приводит к тому, что ресурс всей системы будет использоваться не полностью. В результате – деградация и усиление дефекта с течением времени. Слабое звено будет ухудшать производительность всего блока АКБ. Можно, конечно, купить другую батарею, но это не панацея. Что делать если аккумуляторы относительно новые? Да и стоимость не копеечная.

Есть два способа выравнивания заряда аккумуляторов:

1. Пассивный;
2. Активный.

При первом способе используют байпасные цепи, которые распыляют энергию. Эти устройства могут быть вмонтированы в систему ИБП, или находиться в отдельной микросхеме. Чаще всего, этот способ используют в бюджетном оборудовании. Почти вся излишняя электроэнергия от АКБ с превосходящим зарядом преобразуется и рассеивается – в этом заключается основное ограничение пассивного способа. Он уменьшает срок функционирования системы без зарядки.

При активном способе балансировки, для передачи электроэнергии от АКБ с более высоким зарядом к слабым батареям, применяют индуктивность, поэтому, потери не высоки. Благодаря этому, активный способ гораздо более эффективен, нежели пассивный. Но за качество придется все-таки доплачивать, активное оборудование стоит дороже.

Выравнивание заряда АКБ – практика

Система, выравнивающая заряд аккумуляторной батареи необходима для технического обслуживания АКБ с последовательным типом соединения, при зарядке их от единого источника. Аккумуляторы, с последовательным соединением формируют единую цепь или линейку. Их может быть несколько, зависимо от характера системы. Оборудование способно регулировать токи на отдельных батареях в нескольких цепях одновременно.

Система состоит из контроллера, который отвечает за регулирование заряда. Он подключается к общему источнику энергии цепи. Также имеются отдельные датчики, устанавливаемые на аккумуляторе. Это оборудование коммутируется при помощи специального шлейфа.

Батареи в одной цепи должны быть равной емкости, иначе оборудование не справится с задачей балансировки заряда на аккумуляторах. Чем больше разница в емкостных характеристиках, тем больше циклов зарядки и разрядки потребуется для выравнивания заряда аккумуляторных батарей.

Принцип работы балансировщика заряда

Контроллер анализирует напряжение и запускается, если оно увеличивается. Система высчитывает средний показатель и, по специальным шлейфам, берет информацию с каждого отдельного аккумулятора. Если напряжение на АКБ превышает среднее, то контроллер подает команду на компенсацию нагрузки. Если ниже – нагрузка снимается. Эти действия привязаны к циклам зарядки-разрядки, и, с каждым новым кругом, напряжение приводится к средним показателям.

Если показатель общего электрического напряжения не увеличивается на протяжении трех рабочих часов, то контроллер сигнализирует о том, что работа завершена и подает команду на отключение датчиков на АКБ. Но, анализ электрического напряжения не прекращается.

На всех батареях ставят датчик-контроллер напряжения. Лучше всего, это сделать рядом с контактами, потом подключить плюс к плюсу, минус – к минусу. При правильном монтаже датчик мигает. Если сигнала нет – или неправильно подключили, или аккумулятор не исправен. По COM-порту контроллер может выводить информацию по каждой батарее на персональный компьютер.

Кроме того, контроллер сигнализирует при падении, или повышении напряжения на аккумуляторах, ниже 10,5 Вольт и выше 15 Вольт.

Выводы

Выравнивание зарядов аккумуляторов – необходимая техническая мера. Она повышает безопасность использования АКБ и увеличивает срок их службы. Современные контроллеры балансировки АКБ тестируют техническое состояние каждой батареи и дают возможность использовать систему, минимизировав потери. В целом, это полезно из соображений безопасности и гарантирует надежную и бесперебойную работу оборудования.

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.