Зарядные устройства
Больше батарей повреждается из-за неправильных зарядных-разрядных циклов, чем по всем остальным причинам, вместе взятым
Схемы заряда
Зарядное устройство осуществляет три основных функции:
Направление заряда в батарею (заряжание)
Оптимизацию зарядного тока (стабилизация)
Остановку зарядки (прерывание)
Схема заряда представляет собой комбинацию методов заряда и остановки.
Остановка заряда
Как только батарея становится полностью заряженной, зарядный ток начинает рассеиваться различными путями. Результатом может быть образование теплоты и газов, что равноценно отрицательно сказывается на батареях. Ниболее хорошим временем отключения является определение момента, когда преобразование активных материалов завершено и остановить зарядный процесс до того, как будут нанесены поверждения батареи, поддерживая при этом температуру батареи в рабочих пределах. Определение точки отключения зарядного устройства и остановки зарядки весьма важно для продления срока службы батареи. В простейших зарядных устройствах эту роль выполняет предопределённое максимальное напряжение, называемое напряжением отключения. Это особенно важно для устройств быстрой зарядки, где вероятность повреждений при перезаряде выше.
Безопасная зарядка
Если по какой либо причине существует риск перезаряда батареи, как по причине ошибки в определении точки отключения или при сбое, в нормальных условиях это приводит к росту температуры. Внутренние разрушения батареи или высокая чувствительность к температуре так же может привести к выходу за пределы безопасных температур. Нарастающая температура приводит к выходу из строя батареи, поэтому контроль температур ячеек является хорошим сигналом к тому, что что-то идёт не так. Температурный сигнал, или сбрасываемый предохранитель могут быть использованы для отключения зарядного устройства, когда поступает сигнал о возможности повреждения батареи. Простые дополнения, позволяющие повысить безопасность зарядки батарей, очень важны для высокомощных батарей, где повреждения не только серьёзны, но и дороги.
Время зарядки
Во время быстрой зарядки возможно направление энергии в батарею быстрее, чем будут протекать химические процессы, что может привести к повреждению ячейки.
Химические реакции не происходят мгновенно и существует так же реакционный градиент в массе электролита между электродами; электролит вблизи электродов будет раньше преобразован, или «заряжен», чем более удалённый. Этот эффект особенно заметен для высокоёмких ячеек, содержащих значительный объём электролита.
Существует по крайней мере три ключевых процесса, включённых в электрохимическое преобразование.
Первый является переносом заряда, который происходит на поверхности соприкосновения электродов с электролитом, и протекает достаточно быстро.
Второй процесс называется массовым транспортом или диффузией, в котором материалы трансформируются в зарядном проццессе и перемещаются от электродных поверхностей, освобождая путь для соприкосновения с электродами для других материалов в процессе преобразования. Это относительно длительный процесс, который продолжается до тех пор, пока все материалы не будут преобразованы.
Зарядный процесс может так же происходить в присутствии других реакций, которые так же должны быть приняты во внимание, например, процесс взаимодействия в литиевых ячейках, когда ионы лития включаются в кристаллическую решётку электрода. Смотрите подробнее литиевое покрытие в процессе активного заряда или разряда при низких температурах.
Все эти процессы являются температурозависимыми. В дополнение к этому, могут существовать другие паразитные или сторонние эффекты, например, пассивация электродов, образование кристаллов или газов, которые влияют на время заряда и его эффективность, но их влияние может быть относительно небольшим или они могут происходить не слишком часто, или происходить в ненормальных условиях, поэтому здесь они не рассмотрены.
Процесс заряда батареи имеет по крайней мере три временных константы, соотносимых с достижением полного преобразования активных компонентов, которые зависят от типов материалов и конструкции ячейки. Постоянная времени, соотносимая с переносом заряда, может быть около минуты или меньше, в то время как массовый транспорт занимает до нескольких часов в ячейках высокой ёмкости. Именно этот факт является причиной того, что батарея способна отдавать относительно высокие значения импульсного тока, но длительный ток всегда значительно меньше (другой причиной является значительное рассеяние теплоты). Эта зависимость является так же нелинейной и применима как для зарядного, так и для разрядного процесса. По этой причине существует ограничение на максимальный зарядный ток ячейки. Продолжение наполнения энергией ячейки быстрее, чем активные материалы могут воспринимать его, приведёт к местным перезаряда и поляризации, перегреву и паразитным химическим реакциям вблизи электродов, которые повреждают ячейку. При высоких значениях зарядного или разрядного тока, может быть необходимо дать ячейке время на «отдых», чтобы позволить химическим реакциям произойти в массе электролита и ячейка могла стабилизровать и выровнять растущий или падающий уровень заряда.
Так же смотрите эффекты химических изменений и зарядные токи.
Запоминается не точно соответствующий пример наполнения пивом стакана. Очень быстрое наполнение приводит к огромному количеству пены и небольшому количеству пива на дне стакана. Медленное наполнение по краю и ожидание оседания пены приводит к полному заполнению стакана.
Гистерезис
Постоянные времени, указанные выше, приводят к наличию гистерезиса в батарее. Во время зарядки химические реакции отстают от напряжения, как и когда нагрузка прикладывается к батарее, существует задержка перед тем, как полный ток потечёт через нагрузку. Как и магнитный гистерезис, энергия теряется в цикле заряда-разряда из-за химического эффекта гистерезиса.
Диаграмма ниже показывает эффект гистерезиса в литиевой батарее.
Периоды «отдыха» или кратковременные нагрузки в процессах заряда или разряда «подгоняют» химические реакции, но это не приведёт к уменьшению разности напряжений в гистерезисе.
Реальное напряжение батареи при любом заряде определяется, когда она находится в состоянии «покоя» и находится между кривой заряда и разряда. Во время заряда измеренное напряжение ячейки в период отключения будет медленно снижаться к состоянию покоя, пока будут происходить химические изменения в ячейке. Аналогично будут происходить процессы при разряде, когда напряжение будет повышаться в периоды отключения, приближаясь к состоянию покоя.
Быстрая зарядка так же увеличивает количество вырабатываемой джоулевой теплоты из-за повышенных значений токов и более высокой температуры, ускоряющей протекание химических процессов.
На странице разряда батарей показана эффективная ёмкость ячейки при различных значениях разрядного тока.
Страница конструкций ячеек подробно описывает, как конструкция ячейки может быть оптимизирована для быстрой зарядки.
Эффективность зарядки
Эта характеристика зависит от батареи и не зависит от применяемого зарядного устройства. Значение эффективности выражается отношением между энергией, взятой от батареи во время разряда, и энергией, использованной для восстановления номинальной ёмкости батареи при зарядке. Эта характеристика так же называется кулонной эффективностью или восприимчивостью заряда.
Восприимчивость заряда и время заряда сильно связаны с температурой, как указано выше. Более низкая температура увеличивает время зарядки и уменьшает восприимчивость заряда.
Примечание При низкой температуре батарея не обязательно воспримет полную величину заряда, даже если напряжение на клеммах показывает это. Подробнее смотрите страницу факторов состояния заряда.
Основные методы зарядки
Стабилизация напряжения
Зарядные устройства, использующие постоянное напряжение, обычно построены на источнике постоянного тока, который в простейшей форме может содержать понижающий трансформатор и сглаживающий фильтр для осуществления зарядки. Такие схемы часто используются в дешёвых автомобильных зарядных устройствах. Свинцово-кислотные ячейки, используемые в автомобилях и источниках бесперебойного питания обычно имеют подобные зарядные устройства. Литий-оинные ячейки часто используют такую же систему зарядки, но они обычно более сложны, чтобы обеспечить безопасность зарядки как для пользователя, так и для батареи.
Стабилизация тока
Зарядные устройства со стабилизацией тока изменяют напряжение для обеспечения постоянной величины тока, отключаясь, когда напряжение достигает уровня полной зарядки. Они обычно используются для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных ячеек и батарей.
Падающий ток
Этот метод зарядки осуществляется от нерегулируемого источника постоянного напряжения. Этот метод не имеет регулирования напряжения, ток снижается вместе с тем, как растёт напряжение батареи. Существует серьёзная опасность повреждения ячеек при перезаряде. По этой причине кратность зарядного тока и продолжительность заряда должны быть ограничены.
Импульсный заряд
Импульсные зарядные устройства осуществляют подачу тока в батарею в виде импульсов. Кратность тока (основанная на среднем значении протекающего тока) может быть точно контролируема и управляться шириной импульсов, обычно длиной около одной секунды. Во время зарядного процесса существуют периоды покоя батареи, длинной 20-30 миллисекунд между импульсами, для протекания химических реакций в батарее и стабилизации и выравнивания заряда перед повторным импульсом. Этот метод позволяет химическим реакциям иметь ту же скорость, что и скорость подачи энергии в ячейку. Так же считается, что этот метод может предотвратить нежелательные химические реакции на поверхности электрода, например, газообразование, рост кристаллов или пассивацию (подробнее смотрите импульсные зарядные устройства ниже). Если требуется, так же возможно измерение напряжения разомкнутой батареи во время периодов покоя.
Оптимальный профиль тока зависит от активных материалов ячейки и её конструкции.
Зарядка переменным асимметричным током
Используется вместе с импульсным зарядным устройством; процесс заряда включает очень короткие разрядные импульсы, обычно величиной 2-3 зарядных тока и длительностью около 5 миллисекунд, включаемых во время перерывов в заряде, и необходимых для деполяризации ячейки. Этот способ заряда заставляет выходить пузырьки газа, образующиеся на электродах во время быстрой зарядки, ускоряет стабилизационные процессы и способствует ускорению процесса заряда. Происходят различные споры относительно того, насколько этот способ зарядки улучшает срок эксплуатации и уничтожает наросты. По крайней мере, с уверенностью можно сказать, что он «не повреждает батарею».
Зарядка постоянным током-напряжением-током
Этот профиль заряда сравнительно недавно был разработан и используется для быстрой зарядки свинцово-кислотных батарей от некоторых производителей, но он не является подходящим для всех свинцово-кислотных батарей. Сначала батарея заряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение ячейки не достигнет заранее заданного значения - напряжения, при котором начинается процесс газообразования. Первая часть процесса заряда называется основной. Когда установленное значение напряжения достигнуто, зарядное устройство переключается в режим стабилизации напряжения и ток, потребляемыый батарее, снижается, пока не достигнет заранее определённого значения. Далее, зарядное устройство переключается обратно в режим стабилизации тока, и когда напряжение достигнет следующего установленного значения, зарядное устройство отключается. Последняя фаза используется для выравнивания заряда отдельных ячеек и удлиннения срока службы аккумулятора. Подробнее смотрите балансировку ячеек.
Капельная зарядка
Этот способ зарядки разработан для компенсации процесса саморазряда батарей. Зарядка происходит длительное время во время режима ожидания. Величина зарядного тока варьируется в зависимости от частоты разряда. Этот режим не подходит для некоторых типов электролитов, например, никель-металл-гидридных или литиевых, которые могут выйти из строя из-за перезаряда. В некоторых зарядных устройствах предусмотрено переключение к капельному заряду, когда батарея полностью заряжена.
Равновесная зарядка
Батарея и нагрузка постоянно являются подключёнными параллельно через источник постоянного тока, и находятся под постоянным напряжением, которое ниже верхнего предела для батареи. Используются для систем бесперебойного питания, в основном, со свинцово-кислотными батареями.
Случайная зарядка
Все вышеприведённые режимы зарядки являются контролируемыми для батарей, но существует множество устройств, где энергия для зарядки батарей становится доступной случайным образом. Это относится к автомобильным устройствам, где энергия зависит от скорости вращения двигателя, который производит непрерывную зарядку. Проблема ещё более актуальна для гибридных автомобилей и электромобилей, которые используют регенеративное торможение, которое генерирует значительные импульсы энергии, которые батарея должна воспринять. Более жизненными устройствами являются солнечные панели, которые работают только когда светит солнце. Ещё более случайно поступление энергии от ветроустановок. Существуют специальные методы для ограничения максимального зарядного тока, который батарея может выдерживать.
Зарядные токи
Батареи могут быть заряжены с помощью различных токов, в зависимости от требований. Основные величины токов показаны ниже:
Медленная зарядка
Такой режим зарядки может проводиться относительно простым зарядным устройством и не приводит к перегреву батареи. Когда зарядка завершена, батарея должна быть отключена от зарядного устройства.
Никель-кадмиевые аккумуляторы обычно стойки к перезаряду и могут быть оставлены в режиме капельной зарядки на длительный срок, поскольку процесс рекомбинации приводит к снижению напряжения до безопасного уровня. Постоянная рекомбинация удерживает внутреннее значение давления в ячейке высоким. Тем не менее, температура остаётся выше нормальной и срок эксплуатации ячейки сокращается, поэтому лучше отключать батарею от зарядного устройства.
Свинцоко-кислотные аккумуляторы значительно менее стойки, но могут выдерживать короткие периоды капельного заряда. В заполненных батареях существует проблема расходования воды и активного слоя, что приводит к ранней коррозии сетки. Свинцово-кислотные батареи должны быть освобождены от подобных ситуаций (например, постоянное напряжение капельной зарядки должно быть ниже напряжения газообразования).
Никель-металл-гидридные ячейки обычно повреждаются длительным капельным зарядом
Литий-ионные ячейки не способны выдерживать перезаряд или перенапряжение, поэтому зарядный процесс должен быть прекращён, а зарядное устройство должно быть отключено, как только напряжение достигнет установленного предела.
Быстрая и «поспешная» зарядка
Вместе с увеличением кратности зарядного тока, возрастает и вероятность перезаряда или перегрева батареи. Предотвращение перегрева батареи и остановка (прерывание) заряда когда батарея полностью заряжена является гораздо более важным. Каждая группа активных материалов имеет собственные кривые температурной отсечки, поэтому температурные предохранители должны быть встроены в батареи для предотвращения перегрева во время зарядного процесса.
Быстрая и «поспешная» зарядки требуют более сложных зарядных устройств. В связи с тем, что зарядные устройства должны быть сконструированы специально для каждой группы активных материалов, зарядка одних типов ячеек зарядными устройствами для других приведёт к их повреждению. Универсальные зарядные устройства должны быть способны распознавать все типы ячеек и идентифицировать их для выбора соответствующего профиля заряда.
Примечание
Для автомобильных батарей время заряда может быть ограничено доступной мощностью, а не характеристикой батарей. Домашние сети с допустимым током 13 ампер могут обеспечить только 3 кВт. Таким образом, предполагая, что потерь в зарядном устройстве не существует, десять часов зарядки принесут в батарею 30 кВтч энергии, чего достаточно для поездки на 180 км. Сравните с расходом бензина на это же расстояние.
Достаточно всего 3 минуты для заполнения бака химической энергией в объёме около 90 кВтч, чего достаточно доля преодоления 500 км. Для того, чтобы заполнить батарею электрической энергией в размере 90 кВтч за 3 минуты необходима мощность в 1,8 МВт.
Методы остановки зарядки
Диаграмма показывает методы остановки зарядки для разных типов батарей, подробнее они рассмотрены ниже.
Методы контроля заряда
Было разработано множество зарядных схем и схем отключения для различных активных материалов и устройств. Наиболее общие из схем контролируемого заряда приведены ниже.
Обычная (медленная) зарядка
Полупостоянный ток
Простой и экономичный, наиболее популярный способ. Низкое значение тока не генерирует тепла и перегрева, но занимает 5-15 часов при кратности зарядного тока 0,1. Подходит для никель-кадмиевых ячеек.
Таймер
Простые и экономичные системы, более надёжны. Используют таймер и заряжают током кратностью 0,2 заранее заданный период времени, после чего переходят на капельный заряд током кратностью 0,05. Следует избегать постоянного помещения и изъятия батареи из устройства, поскольку это сказывается на его эффективности. Для таких устройств так же рекомендуется температурная отсечка. Применяются для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных батарей.
Быстрый заряд (1-2 часа)
Отрицательный рост напряжения
Этот метод является самым популярным для быстрой зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов.
Батареи заряжаются постоянным током в диапазоне кратности между 0,5 до 1,0. Напряжение батареи возрастает до максимального значения, пока батарея заряжается, затем падает. Это падение напряжения, -dU, с которого начинается процесс поляризации и образования кислорода внутри ячейки, как только она полностью зарядится. С этой точки ячейка попадает в режим перезаряда и повреждений, в котором температура начинает быстро расти по завершению химических процессов и излишняя электрическая энергия преобразуется в тепло. Падение напряжения не подвержено влиянию уровня заряда или окружающей температуры и поэтому позволяет идентифицировать максимум и отключать зарядное устройство, когда она полностью заряжена, и переключать на капельный заряд, например.
Этот метод не подходит для зарядки токами с кратностью менее 0,5, поскольку падение напряжения сложно обнаружить. Ложное падение напряжения может произойти в начале зарядки при сильно разряженной ячейке, что исправляется использованием таймера для задержки контроля падения напряжения. Свинцово-кислотные батареи не обнаруживают падение напряжения при завершении заряда, поэтому этот метод не подходит для герметичных свинцово-кислотных ячеек.
Скорость роста температуры
Никель-металл-гидридные ячейки не обнаруживают падения напряжения по достижении конца зарядного цикла и, как указано на графике выше, не могут контролироваться таким способом. Вместо этого зарядное устройство контролирует скорость роста температуры за единицу времени. Когда заранее определённая скорость роста температуры будет достигнута, зарядное устройство переключается к капельному заряду. Этот метод более дорогостоящий, но предотвращает перезаряд и удлинняет срок жизни. В связи с тем, что капельный заряд может повредить никель-металл-гидридную ячейку, обычно используется таймер, ограничивающий общее время зарядки.
Постоянный ток --- постоянное напряжение
Используется для зарядки литиевых и некоторых других батарей, которые особенно чувствительны к превышению верхнего предела напряжения. Производители указывают кратность тока зарядки как максимальную, которую батарея способна выдержать без повреждений. Но требуются специальные меры для того, чтобы поддерживать такую кратность тока, полностью зарядить батарею и в то же время избежать перезаряда. По этой причине рекомендуется переключение метода заряда на постоянное напряжение до того, как напряжение ячейки достигнет максимума. Это требование указывает, что зарядные устройства для литий-ионных ячеек должны контроллировать как зарядный ток, так и напряжение.
Для того, чтобы поддерживать указанные в руководствах кратности зарядного тока, зарядное напряжение должно увеличиваться одновременно с напряжением ячейки, для того, чтобы избежать обратной ЭДС при зарядке. Это случается очень быстро во время зарядки постоянным током до достижения ячейкой верхнего предела напряжения, после которого зарядное напряжение подддерживается на уровне, называемом «плавающим» во время зарядки постоянным напряжением. В это время ток уменьшается до значения капельной зарядки, по которому определяется окончание. Отключение происходит в тот момент, когда значение тока достигает установленного минимума, что свидетельствует о том, что полный уровень заряда достигнут. Подробнее смотрите зарядку литиевых батарей и формовку при производстве.
Примечание 1: Когда используется быстрая зарядка, она обычно производится при постоянном значении тока. В зависимости от активных материалов, этот период может занимать 60-80% полного времени заряда. Эти значения не должны экстраполироваться для определения времени заряда, потому что зарядный ток быстро падает во время зарядки постоянным напряжением.
Примечание 2: В связи с тем, что невозможно заряжать литиевые батареи током с кратностью, указанной производителем до полной зарядки, так же невозможно определить время заряда батареи при полной разрядке делением ёмкости на указанный зарядный ток, потому что его величина изменяется в процессе зарядки. Следующее уравнение даёт приближённую величину полной зарядки пустой аккумуляторной батареи при использовании указанного метода
Время зарядки (часы) = 1,3 * (ёмкость в Ач) / (ток зарядки в режиме постоянного тока)
Контроль напряжения
Система с контролем напряжения обеспечивает быструю зарядку током с кратностью между 0,5 и 1,0. Зарядное устройство отключается или переключается на капельную зарядку как только предустановленное значение напряжения будет достигнуто. Это устройство должно быть соединено с температурным датчиком в батарее для предотвращения перезаряда или температурного выбега.
Падающее напряжение
Система похожа на зарядку с контролем напряжения. Как только напряжение достигает, зарядный ток постеменно снижается снижением напряжения, затем переходит в режим капельной зарядки. Эта система хорошо подходит для герметичных свинцово-кислотных батарей, поскольку позволяет достигнуть высокого уровня зарядки достаточно безопасно (смотрите так же падающий ток ниже).
Безопасный таймер
Этот режим ограничивает максимальное количество энергии двойной ёмкостью ячейки. Например, для ячейки ёмкостью 0,6 Ач предел устанавливается в размере 1,2 Ач.
Предварительный заряд
В качестве меры безопасности, высокоёмкие батареи заряжаются с применением стадии предварительного заряда. Процесс зарядки начинается с низкого значения тока. Если не наблюдается соответствующего роста напряжения батареи, это свидетельствует о возможности короткого замыкания внутри батареи.
Умная зарядная система
Умная зарядная система включает не только зарядное устройство, но и электронную систему внутри батареи, что позволяет добиться гораздо более высокого уровня контроля над зарядным процессом. Преимуществами является скорость зарядки и её безопасность, а так же длительный срок эксплуатации батарей. Такие системы описаны подробно в системах управления батареями.
Заметки
Многие зарядные устройства, поставляемые с потребительской электроникой - мобильными телефонами и компьютерами - обеспечивают простой источник постоянного напряжения. Требуемое напряжение и ток для профиля заряда обеспечивается электронными цепями внутри устройства или в батарее. Это позволяет обеспечить гибкость выбора зарядных устройств а так же служит защите устройства от использования неподходящих зарядных устройств.
Контроль напряжения
Для простоты, во время зарядки напряжение батареи обычно измеряется на выходных клеммах зарядного устройства. Тем не менее, для зарядки высоким током, необходимо учитывать падение напряжения на соединительных проводах, что приведёт к недооценке истинного значения напряжения на батарее и недозарядке, если используется отключение по напряжению. Решением этой проблемы является использование отдельной пары проводов, присоединённых на клеммы батареи. В связи с тем, что вольтметры имеют достаточно высокое внутреннее сопротивление, падение напряжения будет минимальным и результат измерения будет более точным. Этот метод называется четырёхпроводным подключением. Подробнее смотрите контроль постоянного напряжения.
Типы зарядных устройств
Зарядные устройства обычно включают некоторые узлы контроля и регулирования напряжения для управления зарядным напряжением, приложенным к батарее. Выбор зарядного устройства обычно является вопросом цены-производительности. Например:
Переключатель режимов
Используется широтно-импульсная модуляция для контроля напряжения. Характеризуется низкими потерями в широком диапазоне как входных, так и выходных напряжений. Более эффективны линейные регуляторы, но они более сложны. Им необходимы большие пассивные LC (индуктивно-ёмкостные) фильтры для сглаживания импульсов. Размер компонентов зависит от тока, но может быть уменьше использованием более высокой частоты переключения, например, с 50 кГц до 500 кГц, в связи с тем, что размеры трансформаторов, индуктивностей и ёмкостей обратно пропорциональны рабочей частоте. Переключение мощных цепей создаёт достаточно мощные электромагнитные помехи.
Последовательный (линейный) регулятор
Менее сложный, но обладающий более высокими потерями из-за рассеяния тепла в последовательном участке цепи - транзисторе, который обеспечивает разницу между напряжением питания и выходным напряжением. Весь ток нагрузки проходит через регулирующий транзистор, который обязательно должен быть высокомощным. В связи с тем, что не производится переключений, он обеспечивает стабильный постоянный ток и не требует выходного фильтра. По этой же самой причине конструкция не страдает от проблем электромагнитного шума, что делает её подходящей для низкошумящих беспроводных и радиоустройств. Обладая всего несколькими компонентами, эта конструкция так же меньшего объёма.
Шунтовый регулятор
Шунтовый регулятор обычно используется в фотоэлектрических системах, поскольку он относительно дёшев и имеет простую конструкцию. Зарядный ток контроллируется переключением транзистора, соединённого параллельно с фотоэлектрической панелью и батареей. Перезаряд батареи предотвращается коротким замыканием (шунтированием) выхода фотоэлектрической ячейки через транзистор, в результате чего напряжение падает до определённого нижнего предела. Если напряжение батареи превосходит напряжение фотоэлектрической ячейки, транзистор защищает фотоэлектрическую панель от повреждения обратным напряжением разрядкой батареи через шунт. Последовательные (линейные) регуляторы обладают более выгодными зарядными характеристиками.
Разделяющий регулятор
Разделяющий регулятор содержит широтно-импульсный модуль и понижающий преобразователь постоянного напряжения. Этот тип регуляторов обладает высокой эффективностью и низкими потерями. Он может выдавать большие значения токов и генерирует меньше электромагнитных помех, чем аналогичный переключаемый регулятор. Типична простая бестрансформаторная конструкция с низкими нагрузками переключения и небольшим выходным фильтром.
Импульсное зарядное устройство
Это зарядное устройство использует транзистор, который так же является переключаемым. При низком напряжении батареи транзистор остаётся открытым и проводит ток прямо в батарею. Когда напряжение достигает установленного предела, транзистор переключается в импульсный режим для обеспечения желаемой величины напряжения. В связи с тем, что он работает в импульсном режиме часть цикла, рассеяние на тепло значительно ниже, а из-за того, что он работает как линейный регулятор часть времени, выходной фильтр будет меньше. Импульсы так же позволяют батарее стабилизироваться (восстановиться) при низких состояния заряда до высоких за время заряда. Во время переывов в импульсах в ячейках снижается поляризация. Этот процесс позволяет осуществлять зарядку быстрее с одним высоким уровнем зарядного тока, который может повредить батарею, если не осуществляется стабилизация активных компонентов в процессе заряда. К тому же, импульсные зарядные устройства должны иметь ограничения входного тока для повышения безопасности, что только увеличивает стоимость.
Зарядные устройства от шины USB
Шина USB была разработана группой производителей компьютерного оборудования и периферии для замены огромного количества стандартов электрических и механических соединений для передачи данных между компьютером и внешними устройствами. Она включает двухпроводное соединение для передачи данных, корпус (заземление, общий провод) и шину питания напряжением 5 В, обеспечиваемую головным устройством (компьютером), для питания внешнего устройства. Непредусмотренное использование порта USB было не только для питания внешних устройств от этого напряжения, но так же и для зарядки установленных в них батарей. В этом случае устройство должно содержать необходимое зарядное устройство для защиты батареи. Первоначальный стандарт устанавливал скорость передачи данных в 1,5 Мбит/с и максимальное значение тока в 500 мА.
Энергия всегда движется от головного устройства к периферическому, но данные могут передаваться в обоих направлениях. По этой причине разъёмы являются механически разделёнными и кабели имеют различные типы разъёмов на концах. Это позволяет предотвратить подачу напряжения от другого источника напряжением 5 В на компьютер и избежать его повреждения.
Более поздние обновления стандарта установили скорость передачи данных до 5 Гбит/с и допустимое значение тока до 900 мА. Популярность USB-соединений так же выражается в огромном количестве его нестандартных применений для обеспечения питания устройств без передачи данных. В этих случаях USB-порт может просто содержать регулятор напряжения для получения 5 В из 12 В автомобильной шины питания или выпрямитель и регулятор для получения постоянного напряжения 5 В из переменного напряжения 110 или 220 В от централизованной сети электроснабжения с выходным током до 2,1 А. В обоих случаях устройства, принимающие мощностьЮ должны обеспечивать необходимый контроль заряда. Зарядные устройства, обеспечивающие питание по шине USB от централизованной сети, могут быть встроены в корпус вилки или в блок в стене рядом с обычной розеткой.
Больше о USB в разделе шин данных.
Индуктивная зарядка
Индуктивная зарядка не относится непосредственно к зарядке батарей. Она относится к конструкции зарядного устройства. В сущности, входная часть зарядного устройства присоединяется к централизованной сети. Эта часть представляет собой половину трансформатора. Первичная обмотка присоединена к централизованной сети и питается от неё, в то время, как вторая часть закреплена в блоке с батареей и необходимой для управления электроникой. Этот подход позволяет заряжать батарею без физического соединения с сетью и без каких либо электрических контактов, что позволяет обезопасить пользователя от удара электрическим током.
Примером низкой мощности может служить зубная щётка. Она заряжается в базовом блоке от двухчастного трансформатора, одна часть которого расположена в основном блоке и питается от сети, вторая часть находится в щётке. Когда щётка помещается в базу, образуется полный трансформатор, во вторичной обмотке появляется ток, приводящий к зарядке батареи. В связи с тем, что устройство полностью отделено от электрической сети и батарея находится в герметичном корпусе, зубная щётка может находиться в воде.
Эта технология так же используется для батарей медицинских имплантантов.
Высокомощным примером может служить система зарядки электромобилей. Аналогично зубной щётке по идее, но большего размера, она использует бесконтактную систему. Индукционная катушка в электромобиле получает энергию от индукционной катушки в полу гаража и заряжает электромобиль ночью. Для улучшения эффективности, воздушный зазор между катушками может быть уменьшен путём поднятия катушки во время зарядки и точной установки электромобиля на зарядное устройство.
Похожая система используется для электрических автобусов, получающих ток от индукционной катушни, встроенной под каждой остановкой, позволяя использовать меньшие батареи. Другим преимуществом этой системы является то, что батареи постоянно находятся в заряженном состоянии, глубина разряда минимальна, что продлевает срок службы. Как показано в разделе эксплуатации батарей, срок жизни экспоненциально увеличиваетсяс вместе со снижением глубины разряда.
Более простой и менее дорогой альтернативой является установка проводящих шин и электрических контактов на крыше автобуса и на каждой остановке.
Существуют так же предложения установить сеть индукционных катушек под поверхностью дороги на общественных дорогах, чтобы позволить транспортным средствам получать энергию во время движения, хотя реальных примеров в настоящее время всё ещё нет.
Зарядные станции для электрического транспорта
Подробности относительно зарядных станций для электротранспорта изложены в разделе инфраструктуры электротранспорта.
Источники энергии зарядных устройств
Когда выбирается зарядное устройство, необходимо так же выбрать источник, от которого он будет получать энергию, его напряжение и мощность. Должны быть учтены так же потери мощности, особенно для высокомощных зарядных устройств, у которых величина потерь сравнительно выше.
Контролируемая зарядка
Централизованная сеть
Многие портативные зарядные устройства для небольших электронных устройств (компьютеров или мобильных телефонов) должны продаваться в международных магазинах, поэтому они должны обладать функцией автовыбора напряжения и частоты при подключении к различным сетям. На практике часто это реализуется путём расширения рабочих диапазонов так, чтобы все возможные значения напряжений и частот попадали в рабочий диапазон устройства.
Высокомощные устройства могут требовать специальных условий. Однофазная сеть обычно ограничена мощностью в 3 кВт, поэтому для зарядки высокомощных батарей (ёмкостью больше 20 кВтч) может потребоваться трёхфазная сеть, поскольку для электрических транспортных средств можоет потребоваться мощность более 3 кВт для достижения разумного времени зарядки.
Регулируемый источник постоянного тока
Может быть необходим для специальных целей, например, для мобильного оборудования.
Специальные зарядные устройства.
Переносные источники, например, солнечные панели.
Зарядка по возможности
Этот тип зарядки применяется тогда, когда батарея заряжается при доступности мощности или когда батарея чаще разряжается лишь частично, но не полностью. Используется такой режим для батарей в транспортных средствах или устройствах, где энергия доступна в прерывистом режиме.
В таких зарядных устройствах может быть широкий диапазон колебаний энергии и мощности, поэтому требуются специальные электронные устройства для защиты батареи от перенапряжения. Избегая полного разряда батареи, можно продлить её срок службы.
Типовые устройства:
Бортовые зарядные устройства (генераторы, регенеративное торможение)
Индуктивные зарядные устройства (на станциях электромобилей)
Солнечные панели
Ветроустановки
Механическая зарядка
Этот способ применим только для некоторых типов активных веществ. Эта технология не является полноценной в обычном смысле слова «зарядки» батарей. Механическая зарядка используется в некоторых высокомощных батареях, например, высокоэнергетических батареях или воздушно-цинковых батареях. Воздушно-цинковые батареи заряжаются заменой цинкового электрода, а высокоэнергетические заряжаются заменой электролита.
Механическая зарядка может быть проведена за минуты, что гораздо быстрее нормального времени зарядки, связанного с химическими превращениями активных компонентов, которые обычно занимают часы. Воздушно-цинковые батареи, таким образом, могут использоваться для питания общественного транспорта, исключая проблему длительного времени зарядки.
Эффективность заряда
Тип батареи и устройство, в котором она используется, задают требования эффективности и производительности зарядного устройства.
Чистота выходного напряжения
Зарядное устройство должно выдавать чистое регулируемое напряжение с узкими границами колебаний, шумов и искажений, что может приводить к проблемам в цепях, совместно с которыми они будут использоваться. Для высокомощных устройств эффективность зарядного устройства может быть установлена конструкцией.
Эффективность
Когда заряжаются высокомощные батареи, потери энергии в зарядном устройстве могут быть заметными и увеличивать стоимость работы такого устройства. Обычно зарядные устройства имеют эффективность около 90%, поэтому необходимы конструкции, имеющие более высокий КПД.
Пусковой ток
Когда зарядное устройство подключается к разряженной батарее, возникает пусковой ток, который может быть гораздо выше, чем рекомендуемый зарядный ток. Зарядное устройство должно быть спроектировано так, чтобы быть способным обеспечить этот ток или ограничить величину импульса.
Коэффициент мощности
Эта характеристика имеет важное значение для высокомощных зарядных устройств.
Смотрите так же список требований к зарядным устройствам.
Last updated
