Методы заряда свинцовых аккумуляторных батарей

Заряд аккумуляторных батарей можно производить от любого источника постоянного тока при условии, что его напряжение больше, чем напряжение заряжаемой аккумуляторной батареи. Для заряда положительный вывод батареи соединяется с положительным полюсом источника тока, а отрицательный вывод батареи – с отрицательным. Для любого момента заряда сила зарядного тока I_з будет определяться следующим соотношением:

I_з = (U_зу – U_б) / R,

где: U_зу – напряжение зарядного устройства; U_б – напряжение батареи; R – суммарное сопротивление зарядной цепи.

Из этого выражения следует, что при равенстве напряжения зарядного устройства и батареи ток в цепи будет равен нулю. Если напряжение внешнего источника постоянного тока больше напряжения батареи, зарядный ток будет тем больше, чем выше напряжение зарядного устройства при достаточной величине мощности зарядного устройства. В случае, когда напряжение зарядного устройства меньше напряжения батареи, будет происходить разряд батареи.

Напряжение батареи при заряде изменяется в зависимости от температуры электролита и степени её заряженности. Поэтому в процессе заряда необходима возможность ручной или автоматической регулировки параметров зарядного процесса, то есть величины тока или напряжения.

Процесс заряда может быть осуществлен различными режимами в зависимости от применяемых в зарядных устройствах систем регулирования – напряжения или тока.

В практике эксплуатации используются следующие два основных метода заряда аккумуляторных батарей: заряд при постоянстве тока и заряд при постоянстве напряжения. В современных зарядных устройствах также применяются различные комбинации этих двух методов.

ЗАРЯД ПРИ ПОСТОЯНСТВЕ ТОКА

При этом режиме заряда сила тока в течение всего времени заряда должна оставаться неизменной. Для этого в ходе заряда необходимо менять напряжение зарядного устройства или сопротивление цепи. Существует несколько способов регулирования силы зарядного тока. Основные методы регулирования тока заряда:

• включение последовательно с батареей в зарядную цепь реостата;
• применение регуляторов силы тока (например, тиристорных), которые периодическим включением и выключением дополнительного сопротивления в цепи заряда меняют силу тока таким образом, чтобы его среднее значение оставалось постоянным;

· изменение напряжения источника тока ручным или автоматическим регулятором в соответствии с показаниями силы тока, с корректировкой его величины до заданного значения.

Большинство выпрямительных устройств, предназначенных для заряда аккумуляторных батарей, питается от сети переменного тока и имеет либо ступенчатую, либо плавную регулировку напряжения за счёт изменения коэффициента трансформации. Поэтому в процессе заряда при постоянном токе приходится периодически регулировать напряжение рукоятками соответствующего регулятора.

При включении реостата последовательно с батареей в зарядную цепь, параметры реостата выбираются такими, чтобы сечение обмоток реостата допускало без перегрева силу тока заданной величины. Пределы регулирования сопротивления реостата должны удовлетворять следующим соотношениям:

R_н = (U_зу – n·U_нз) / I_з; R_к = (U_зу - n·U_кз) / I_з,

где: U_нз – напряжение заряжаемых батарей в начале заряда, U_кз – напряжение тех же батарей в конце заряда, n – количество последовательно включенных батарей.

Следует иметь в виду, что во всех случаях напряжение зарядного устройства должно быть выше суммарного напряжения поставленных на заряд батарей.

При заряде постоянным током исправных батарей, общее время заряда может быть определено по их исходной степени заряженности. Зная ёмкость, которую необходимо сообщить при заряде батареи, можно определить время её заряда.

t_з = С / (I_з · ή)

где: С – количество электричества, необходимое для полного заряда батареи от состояния заряженности перед началом заряда; I_з – сила зарядного тока; ή – общий КПД зарядного процесса.

Величина степени заряженности перед началом заряда оценивается обычно по плотности электролита и вычисляется из условия соответствия 0,01 г/см³ плотности электролита 6,25 % разряженности батареи. КПД зарядного процесса при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 80-85 % (см. Стр. 36) при токе заряда не более 0,1 С₂₀.

Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока, степени заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше степень заряженности и чем ниже температура электролита. При заряде полностью разряженных батарей в нормальный условиях (при комнатной температуре) процесс заряда в первый момент идёт с максимальным коэффициентом использования тока. Повышение степени заряженности и возрастание поляризации приводят к увеличению суммарного внутреннего сопротивления батареи и увеличению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и других элементов батареи. Кроме того, на заключительной стадии заряда (при степени заряженности выше 75-80 %) начинается вторичный процесс – электролиз воды, входящей в состав электролита. По мере приближения зарядного процесса при постоянном токе к завершению, доля тока, расходуемого на вторичный процесс, растёт. Одновременно повышается и зарядное напряжение, необходимое для обеспечения постоянства зарядного тока. При этом соответственно увеличивается и количество выделяющегося газа.

Газ, образующийся при электролизе воды, создаёт видимость кипения электролита. С целью снижения потерь энергии при заряде, уменьшения нагрева батареи и предохранения уровня электролита от чрезмерного снижения, рекомендуется в конце процесса заряда снижать силу зарядного тока до 5 % от номинального значения.

Для заряда при постоянном токе наиболее распространенным является режим, который состоит из двух ступеней. Первая ступень заряда производится при токе равном 0,1С₂₀ (0,1 от номинальной ёмкости) до тех пор, пока напряжение на 12-Вольтовой батарее не достигнет величины 14,4 В. Далее сила зарядного тока снижается вдвое до величины 0,05С₂₀ (0,05 от номинальной ёмкости). Заряд при такой силе тока продолжается до постоянства зарядного напряжения и плотности электролита в аккумуляторах батареи в течение двух часов.

Снижение силы тока в конце заряда позволяет уменьшить влияние перегрева на последующую работоспособность и срок службы батареи, а также обеспечить полноту заряда при минимальном снижении уровня электролита.

Заряд батарей с регулирующим клапаном при постоянном токе производится в две ступени. На первой ступени происходит заряд током 0,1С₂₀ до достижения батареей напряжения 14,4 В. Затем ток снижают в два раза и производят заряд в течение ещё четырёх часов током 0,05С₂₀.

Учитывая, что при комнатной температуре напряжение на каждом аккумуляторе открытой батареи составляет в конце заряда 2,6-2,7 В, расчётное сопротивление реостата должно выбираться из условия:

R = [ U_зу – (2,6 ÷ 2,7)]·n / 0,5 I_з

где: n – количество аккумуляторов в заряжаемой батарее, 0,5 – корректирующий коэффициент, обеспечивающий возможность снижения зарядного тока при повышении температуры электролита.

Уравнительный заряд

Такой заряд производится при постоянной силе тока менее 0,1 от номинальной ёмкости в течение несколько большего времени, чем обычно. Его цель – обеспечить полное восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов (ячеек) батареи.

Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов. Он продолжается до тех пор, пока во всех аккумуляторах батареи не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжения в течение трёх часов.

При необходимости в короткое время восстановить работоспособность глубоко разряженной аккумуляторной батареи применяют так называемый форсированный заряд.

Форсированный заряд

Такой заряд может производиться токами, величиной до 70 % от номинальной ёмкости, но в течение более короткого времени. Время заряда тем меньше, чем больше величина зарядного тока. Практически при заряде током 0,7С₂₀ А продолжительность заряда не должна быть более тридцати минут, при 0,5С₂₀ – 45 минут, а при 0,3С₂₀ – 90 минут. В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита и при достижении +45°С прерывать заряд.

Следует отметить, что применение форсированного заряда должно быть исключением, так как его систематическое многократное повторение для одной и той же аккумуляторной батареи сокращает срок её службы.