Зарядка аккумуляторов: способы и правила¶
Зарядка — процесс восстановления ёмкости первичных или вторичных (перезаряжаемых) источников тока путём подачи на них электрического тока, направление которого противоположно току разряда. Термин применяется к аккумуляторам различного типа — свинцовым, литий-ионным, никель-металлгидридным, никель-кадмиевым, а также к солнечным батареям и другим накопителям энергии. Правильная зарядка определяет срок службы элемента, его ёмкость и безопасность эксплуатации.
¶Основные параметры зарядки
Зарядный ток принято задавать в долях от номинальной ёмкости, измеряемой в ампер-часах (А·ч). Для большинства аккумуляторов рекомендуемый ток составляет 0,1С — то есть десятую часть ёмкости: для банки ёмкостью 50 А·ч оптимальный ток зарядки 5 А. Свинцовые автомобильные аккумуляторы допускают зарядку током до 0,3С, литий-ионные элементы обычно заряжают током 0,5С–1С.
Ключевые параметры зарядки:
- Напряжение заряда — верхний предел, до которого поднимается напряжение на клеммах. Для свинцового аккумулятора 12 В это 14,4–14,8 В, для литий-ионной ячейки 3,7 В — 4,2 В, для NiMH и NiCd — 1,4–1,5 В на элемент.
- Ток заряда — сила подаваемого тока, обычно ограничивается автоматикой зарядного устройства.
- Коэффициент заряда — отношение затраченной энергии к восстановленной ёмкости; у большинства аккумуляторов составляет 0,8–0,95.
¶Основные методы зарядки
¶Метод постоянного тока
Зарядное устройство поддерживает заданную силу тока, напряжение при этом растёт по мере заряда. Метод прост в реализации, но требует контроля окончания процесса: при достижении верхнего напряжения ток нужно отключать или снижать, иначе перегрев и газовыделение. Применяется для NiCd и NiMH аккумуляторов, для быстрой зарядки литий-ионных элементов.
¶Метод постоянного напряжения
На аккумулятор подаётся фиксированное напряжение, ток самопроизвольно убывает по мере восстановления ёмкости. Для свинцовых аккумуляторов этот метод ближе к естественному процессу и снижает сульфатацию пластин. Недостаток — длительность полного заряда (12–24 часа).
¶Комбинированный метод (IU-цикл)
Современные зарядные устройства используют двухступенчатую схему: сначала зарядка постоянным током до порогового напряжения, затем переход на постоянное напряжение с затухающим током. Так заряжают большинство автомобильных аккумуляторов и литий-ионные батареи смартфонов.
¶Метод зарядки импульсным током
Чередование коротких импульсов зарядки и пауз (или разрядки) позволяет уменьшить поляризацию пластин и частично разрушать сульфатные образования. Применяется в десульфатирующих зарядных устройствах.
¶Особенности зарядки по типам аккумуляторов
¶Свинцово-кислотные
Наиболее распространённые стартерные аккумуляторы ёмкостью 40–200 А·ч. Заряжают током 0,05С–0,1С (для AGM и GEL — не более 0,2С). Полный цикл при 0,1С занимает 10–15 часов. Признак полной зарядки — постоянное напряжение 14,4–14,8 В и ток, снижившийся до 0,5–2 А (для легкового аккумулятора). Перезаряд вызывает бурное газовыделение и потерю электролита.
¶Литий-ионные и литий-полимерные
Заряжаются по двухступенчатому алгоритму CC/CV: постоянный ток до 4,2 В на ячейку, затем постоянное напряжение с затуханием тока. Использование зарядных устройств без контроля напряжения недопустимо — перезаряд приводит к деградации и возгоранию. Быстрая зарядка (Quick Charge, USB Power Delivery) увеличивает ток на первом этапе, сокращая время до 30–60 минут.
¶Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные
Заряжаются постоянным током. Окончание процесса определяют по спаду напряжения (метод −ΔV, типично 10–20 мВ на элемент) или по росту температуры. NiCd требуют периодической полной разрядки для предотвращения эффекта памяти; NiMH этот эффект проявляют слабее.
¶Правила безопасности
- Зарядка производится в проветриваемом помещении вдали от источников открытого огня: свинцовые аккумуляторы выделяют водород.
- Не допускается замыкание клемм и зарядка вздутых или повреждённых аккумуляторов.
- Литий-ионные батареи заряжают только совместимыми устройствами с контроллером защиты.
- Температура заряжаемого элемента должна оставаться в диапазоне 0…+45 °C (для Li-ion — 5…+45 °C).
- Нельзя заряжать элементы, подвергшиеся глубокому разряду напряжением ниже 2,5 В (Li-ion) или 10,5 В (12-вольтовый свинцовый) без предварительной десульфатации или «толчкового» заряда малым током.
¶Восстановление глубоко разряженных аккумуляторов
Свинцовые аккумуляторы после длительного хранения покрываются сульфатом свинца. Для восстановления применяют зарядку малым током (0,02С–0,05С) в течение 24–48 часов либо импульсные десульфатирующие устройства. Литий-ионные элементы, просевшие ниже 2,5 В, пробуют «оживить» подачей тока 50–100 мА с контролем температуры; при появлении нормального напряжения переходят к штатному циклу. Необслуживаемые и AGM аккумуляторы восстанавливаются труднее из-за отсутствия доступа к электролиту.
Источники:
- Вентцель С. С. «Справочник по расчёту аккумуляторных батарей»
- Генкин В. М. «Электрические источники тока»
- Казаринов В. М. «Неравновесные процессы в электрических источниках тока»
- Технические руководства производителей: «Yuasa», «Varta», «Enelop» (Panasonic), «Energizer»