Как можно зарядить щелочной аккумулятор и какими методами?
При эксплуатации щелочных аккумуляторов, равно как и других типов, возникает необходимость решения нескольких задач. Одна из таких задач – это обеспечение правильной зарядки аккумуляторной батареи. От этого во многом будет зависеть состояние и срок эксплуатации АКБ. На срок службы также оказывают влияние условий хранения и разряда, проведения профилактических мероприятий, но в этой статье будет рассматриваться зарядка щелочных аккумуляторов. Мы рассмотрим условия зарядки Ni─Cd и Ni─MH батарей, рекомендуемые их производителями. Кроме того, рассмотрим нестандартные режимы заряда.
Содержание статьи
Какие есть способы зарядки аккумуляторов в общем случае?
Различные методы зарядки определяются устройством аккумуляторов и природой процессов, в них протекающих. В общем случае можно назвать следующие методики зарядки аккумуляторов:
- при постоянном токе заряда;
- при понижении тока заряда;
- при ступенчатом изменении тока;
- при постоянном напряжении;
- комбинированные варианты.
Если посмотреть в графическом виде, то эти методы выглядят следующим образом.
При эксплуатации любого типа аккумуляторов пользователи стараются ускорить процесса зарядки. Это особенно актуально, когда аккумуляторы используются в оборудовании, работающем в производстве. Но при этом всегда нужно ориентироваться на рекомендации производителя аккумуляторных батарей и соблюдать эти требования. Ведь гарантия на аккумуляторы действует только при выполнении требований по использованию устройства. В том числе, это касается и зарядки АКБ.
Вернуться к содержанию
Требования к зарядному устройству для щелочных аккумуляторов
Прежде чем говорить о конкретных режимах зарядки щелочных аккумулятор, стоит сказать пару слов о зарядных устройствах (ЗУ) для них. В продаже можно встретить в основном универсальные зарядные устройства, которыми можно вести заряд нескольких типов щелочных аккумуляторов. Есть также большая группа ЗУ, которые являются универсальными комбайнами. К примеру, iMAX B6. На таких устройствах вы просто выбираете тип батареи, выставляете ток, напряжение, время и запускаете процесс.
Если вы используете ЗУ для какого-то конкретного типа батарей, то здесь следует отметить такой момент. Зарядные устройства, предназначенные для Ni─MH щелочных аккумуляторов, подойдут для Ni─Cd. Но, не наоборот.
Общие требования к зарядному устройству для щелочных аккумуляторов:
- Универсальное ЗУ должно иметь возможность выбора тока зарядки для различных типов батарей. В дешёвых устройствах подобная возможность отсутствует. В них ток устанавливается в зависимости от установленного в них типоразмера (АА, ААА);
- В универсальном зарядном устройстве должны быть разные посадочные места под разный типоразмер батарей. Если этого нет, то должен быть переключатель между разными форм-факторами;
- Важно наличие в зарядном устройстве как можно большего числа методов контроля окончания зарядки. Особенно это актуально для Ni-MH аккумуляторов. В идеале контроль должен вестись по дельте напряжения, температуре и скорости её изменения, а также по общему времени процесса, необходимому для полной зарядки (рассчитывается из тока зарядки и номинальной ёмкости щелочной батареи);
- ЗУ должно иметь функцию определения наличия аккумулятора;
- Хорошо, если зарядное устройство для щелочных аккумуляторов будет иметь возможность определения первичных источников тока форм-фактора АА и ААА. Это убережёт от проблем, если вы спутаете аккумуляторы с обычными батарейками.
Вернуться к содержанию
Как зарядить щелочной аккумулятор?
Стандартные режимы зарядки, рекомендованные производителями аккумуляторов
Заряд Ni─Cd аккумуляторов в стандартном варианте ведётся током 0,1*С в течение 14─16 часов. В этом случае «С» — это номинальная ёмкость батареи. Заряжать аккумуляторы можно при температурах в интервале 0─50 градусов Цельсия. Рекомендуемый интервал температур 10─40 С, когда заряд протекает особенно эффективно. Чем температура окружающей среды ниже, тем при более высоком напряжении проходит процесс в конце зарядки (ориентировочно около 1,7 вольта). Если температура ОС ниже 0 градусов аккумуляторные батареи должны заряжаться токами примерно 0,02 С.
Существуют серии щелочных аккумуляторов, которые разработаны для быстрой зарядки. Для них могут устанавливаться большие токи заряда. При этом они разогреваются на первоначальном этапе, улучшая условия заряда. Режим ускоренного заряда, называемый гальваностатическим, стал использоваться после некоторых модификаций аккумуляторных батарей.
В результате доработок появились аккумуляторы с плотными рулонными электродами небольшой толщины. Кроме того, были разработаны методы контроля процесса при ведении зарядки на большой скорости. На базе этого были разработаны и выпущены всевозможные электронные зарядные устройства, позволяющие вести процесс ускоренной зарядки под полным контролем.
Так, что сейчас львиная доля щелочных аккумуляторов, продаваемых на рынке, позволяет вести ускоренный зарядку. В большинстве случаев ток составляет 0,3 С. Контроль ведётся, в том числе, по времени (до 4 часов). При ускоренной зарядке контроль окончания процесса и снижение перезаряда выходят на первый план.
Это обусловлено тем, что быстрый заряд приводит к быстрому увеличению давления в батарее при окончании процесса. Это обусловлено тем, что при постоянном поглощении кислорода на отрицательном электроде, скорость его образования на положительном возрастает. Что касается разрядной ёмкости батарей при быстрой зарядке, то она остаётся аналогичной при заряде током 0,1*С. Подробнее о зарядке Ni─Cd аккумуляторов можно прочитать в статье по указанной ссылке.
В принципе, современные щелочные аккумуляторы с рулонным типом электродом могут быть заряжены за один час. Но при этом в зарядном устройстве должны быть предусмотрены различные методы контроля. Ускоренная зарядка разрешена при температуре 5─50 С, а рекомендованные значения 10─40 С.
Следует сказать, что большинство современных щелочных аккумуляторов могут выдержать перезаряд стандартным током без выхода из строя (ток не более 0,1*С). Так, что их можно ставить на зарядку даже если в них есть остаточная ёмкость. Однако такая зарядка в постоянном режиме сокращают их срок эксплуатации.
Так, что если вы не уверены в полной разрядке щелочного аккумулятора, то перед установкой его на заряд, нужно провести разрядку до напряжения 1 вольт (речь идёт об одном элементе). Процесс несколько удлиняется, но такая методика способствует сохранению аккумуляторных батарей. Подробнее о том, как заряжать Ni-MH аккумуляторы, читайте в материале по ссылке.
У некоторых аккумуляторных батарей имеется индикатор, показывающий данные о степени заряда. Эти данные основываются на напряжении либо на балансе разрядной и зарядной ёмкости. Точность вычислений в этих случаях небольшая и индикатор редко показывает реальную степень заряженности. Об индикаторе заряда аккумулятора для автомобиля можно прочитать по ссылке. Он имеет другой принцип действия, нежели у щелочных АКБ.
Точность степени заряда по напряжению щелочных аккумуляторов определить достаточно сложно до того момента, пока они не выберут 80─90 процентов ёмкости. А до этого момент напряжение меняется мало. Кроме того, на уровень напряжения может оказывать воздействие температурные условия, меняющиеся в процессе циклирования батареи.
При контроле степени заряда по балансу ёмкостей следует понимать, что их оценка довольно проста, но значение коэффициента отдачи может меняться в широких пределах. Коэффициент зависит от температуры ОС, нагрузочного тока, от возраста аккумулятора.
Есть и другой подход к зарядке щелочных аккумуляторов. Когда неизвестна остаточная ёмкость, то аккумуляторной батарее отдают энергии ровно столько, сколько потребуется для полной зарядки аккумулятора. При этом не берётся в расчёт степень деградации аккумулятора. Здесь проблема в том, что как точно оценить состояние аккумулятора, и сколько ему нужно сообщить энергии для полной зарядки.
При заряде герметичных щелочных аккумуляторов должны контролироваться следующие параметры:
- напряжение;
- температура;
- внутреннее давление.
На графиках ниже можно видеть изменения всех этих параметров в процессе зарядки герметичной никель─кадмиевой аккумуляторной батареи.
Изменение напряжения при заряде щелочного аккумулятора
Изменение температуры при заряде щелочного аккумулятора
Изменение давления при заряде щелочного аккумулятора
Все эти характеристики изменяются по-разному. Чувствительность у них также разная и на все параметры есть определённые ограничения. У никель─металлогидридных аккумуляторов изменение этих параметров примерно такое же, но у них более выражена чувствительность к нагреву при перезарядке.
Вернуться к содержанию
Компенсационный заряд щелочного аккумулятора
После того как проведён быстрый заряд, аккумуляторную батарею можно оставить в режиме заряда током 0,03─0,05*С. Это позволяет безопасно дозарядить аккумулятор, а постоянная подзарядка в таком режиме компенсирует саморазряд. Это может понадобиться, если аккумулятор не будет сразу использоваться в режиме разряда. Но производители не рекомендуют надолго ставить батарейки в такой режим, поскольку это сокращает срок их эксплуатации. Особенно это касается никель─металлогидридных аккумуляторов.
Сейчас есть специальные высокотемпературные Ni─Cd аккумуляторы, которые могут функционировать в режиме постоянной дозарядки при температуре выше нормы. Такие батареи могут несколько лет функционировать в буферном режиме вместе с основным элементом питания.
Иногда можно встретить и другие рекомендации по использованию компенсационного заряда. Для этого рекомендуют использовать импульсный ток 0,1─1*С. Ток 0,1*С пропускается 1 час в сутки, а величиной 1*С по времени 5─6 минут в сутки. Этот режим некоторые специалисты называют удачным решением для компенсации саморазряда. Это было подтверждено в лабораторных условиях. Такая методика компенсационного заряда полезна с точки зрения снижения насыщения кислородом, увеличения дендритов в батарее и миграции кадмия. Правда, такой режим обеспечить в реальных условиях эксплуатации довольно сложно. Теперь о том, как зарядить щелочной аккумулятор нестационарными способами.
Вернуться к содержанию
Нестационарные способы зарядки
Для заряда электрохимических источников тока с электролитом, в том числе и щелочных аккумуляторов, часто используют и нестационарные режимы зарядки. Они отличаются от тех, что рекомендуют производители. И среди них есть достаточно много методов, которые улучшают эксплуатационные характеристики аккумуляторных элементов. К примеру, способы с осаждением мелкозернистого осадка, при которых увеличивается площадь рабочей поверхности электродов.
Среди нестационарных способов можно отметить те, что подразумевают использование импульсного заряда. Пульсирующий ток оказывает влияние на формирование структуры осадка, а также на различные побочные процессы, протекающие в аккумуляторных элементах с водным электролитом.
Это влияние особенно заметно в конце процесса зарядки и при перезарядке щелочных аккумуляторов. Благодаря интервалам при подаче тока уменьшается выделение кислорода. Это достигается благодаря снижению поверхностного потенциала положительного электрода, а также выравнивания его в пространстве пор.
В результате улучшается поглощение кислорода на отрицательном электроде. Эти процессы позволяют значительно нарастить ток заряда и уменьшить время процесса. Этот режим зарядки снижает деградацию в герметичных щелочных аккумуляторах.
Частота импульсов, их амплитуда, скважность устанавливают или постоянными во время зарядки, или они меняются с изменением степени заряда аккумулятора. Импульсный ток оказывает влияние на:
- электрохимические реакции в поровой области электродов;
- изменение концентрации электролита;
- другие параметры процесса.
При подаче импульсного тока рост эффективности заряда обеспечивается посредством снижения амплитуды и увеличения пауз в конце процесса зарядки.
Если в перерывах между зарядным током пускается разрядный, то это уже режим асимметричного тока. В таком режиме могут регулироваться параметры асимметричного тока:
- амплитуда;
- продолжительность разрядного и зарядного тока;
- частота и форма импульсов;
- время паузы между импульсами.
Конкретные параметры асимметричного тока должны подбираться в зависимости от влияния нестационарного режима на аккумулятор в целом и на пористые электроды в частности. Ряд исследований в этом направлении показал, что при нестационарном режиме заряда при помощи различных параметров импульсного тока можно регулировать следующие процессы:
- амплитуда импульсов тока — можно регулировать эффективность зарядки активной массы плюсового электрода;
- частота импульсов – регулирует проникновение заряда вглубь пор электрода;
- амплитуда и время импульсов разряда – регулировка глубины деполяризации.
В случае нестационарного заряда импульсным током можно выделить 2 этапа процесса. На начальном этапе выделения кислорода нет, а степень окисления меняется по глубине электрода. Импульс разрядного тока даёт равномерное проникновение заряда по толщине электрода. Второй этап включает в себя активное выделение кислорода на поверхности электрода. При этом в глубине все ещё продолжается распределение заряда в активной массе. На этом этапе импульс разрядным током обеспечивает снижение выделения кислорода. Это помогает процессу окисления активной массы более равномерно идти по глубине электрода.
Исследования некоторых специалистов в области фазовых превращений при заряде-разряде показали, что после подачи импульса разряда следует делать паузу. Что касается зарядного импульса, то была показана его значимость и скорость его нарастания. Если эта скорость большая, то процесс выделения кислорода начинается позже. Так, что импульсы прямоугольной формы более эффективные по сравнению с другими.
Правда, в использовании разрядного импульса есть и свои проблемы. И это не раз обсуждалось на всевозможных площадках. Всё началось после того, как этот режим стали использовать для зарядки никель─кадмиевых батарей в быстром режиме. Некоторые крупные производители щелочных аккумуляторов отказались использовать этот режим. Но производители зарядных устройств всё-таки выпускают зарядные устройства с такими функциями.
Есть достаточно распространённые режимы ускоренного заряда для Ni─Cd аккумуляторов (металлокерамика) с применением асимметричного тока:
- Время заряда 10─20 минут, амплитуда заряда (5─8)*С, отношение длительности амплитуд разрядного импульса к зарядному составляет 5─6, продолжительность импульса заряда составляет 0,2, а разряда 0,01 секунды;
- Время 25─35 минут, ток зарядного импульса (2,8─3,5)*С, малое газовыделение. Остальные условия, как и в первом варианте.
Если интересно, то можете прочитать про восстановление аккумулятора шуруповерта.
Стоит сказать, что все вышеназванные режима нестационарного заряда нельзя назвать оптимальными для разных типов щелочных аккумуляторов. Эффективность процесса заряда зависит, как от электрохимических реакций, так и от особенностей конструкции. Кроме того, влияние оказывает и структура электродов. Герметичные щелочные аккумуляторы за последние годы претерпели ряд усовершенствований. Широко распространились аккумуляторы с рулонными электродами.
Есть достаточно много моделей, которые заряжаются в быстром режиме током 1*С. Применяется импульсный ток и амплитудная модуляция. Так, что время процесса зарядки постепенно сокращается.
Вернуться к содержанию
Опрос
Загрузка ...
Если вам есть что дополнить по статье или хотите задать вопрос, то пишите в комментариях. Оценивайте материал и участвуйте в опросе. Это поможет нам сделать сайт лучше!
Вернуться к содержанию
(голосов: 4, в среднем: 4,00 из 5)
Загрузка...
