1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer

Как продлить срок службы аккумулятора?

Продление срока службы аккумуляторов - один из важнейших вопросов повышения энергоэффективности и улучшения состояния окружающей среды. Долговечность современных свинцово-кислотных аккумуляторов оценивается по количеству циклов зарядки-разрядки. Японские промышленные стандарты (JIS) определяют стандартное напряжение 14,5 В для 6-элементной свинцово-кислотной батареи.

Любая зарядка сверх этого напряжения генерирует газообразный водород. Поэтому в соответствии с этим стандартом зарядка обычно прекращается, и батарея переключается на разрядку, когда достигается это напряжение. Конечное напряжение разряда устанавливается, опять же в соответствии с JIS, на уровне 10,5 в, так что производительность может быть оценена с точки зрения времени и емкости путем разрядки из полностью заряженного состояния при постоянном токе до достижения 10,5 В. Однако эти два напряжения в действительности являются напряжениями на клеммах батареи. Фактически батарея имеет внутреннее сопротивление R. Поэтому падение напряжения V = I x r, возникающее из-за зарядного и разрядного токов, оценивается по-разному при зарядке и разрядке аккумулятора. Предложен новый способ получения внутреннего напряжения батареи V, и с его помощью можно управлять зарядным током батареи. Он включает в себя остановку тока на короткий промежуток времени во время зарядки и разрядки аккумулятора и измерение напряжения батареи в этот момент.

Для оценки износа батареи изготавливается автоматическое зарядно-разрядное устройство. На рисунке 1 показаны характеристики напряжения и тока при зарядке и разрядке без учета измерения значений внешнего (клеммного) напряжения.

Характеристики напряжения и тока при зарядке и разрядке без учета внешнего (клеммного) измерения напряжения

Видно, что в начале зарядки напряжение увеличивается, а при начале разрядки-уменьшается. Кроме того, по мере увеличения числа циклов время разряда с каждым циклом становится все короче. Это вызвано увеличением внутреннего сопротивления по мере того, как батарея изнашивается, и это происходит, несмотря на постоянный ток разряда. По этой причине напряжение батареи быстро истощается пропорционально величине внутреннего сопротивления, поэтому разрядка до 10,5 В происходит быстрее. Другими словами, наблюдая за изменением времени разряда за цикл, можно определить изменение внутреннего сопротивления батареи, то есть состояние ее износа. Предыдущая лабораторная система состояла из зарядно-разрядного устройства, управляющего внешним (клеммным) напряжением. Оно переключается между зарядкой и разрядкой в зависимости от напряжения на клемме. Зарядно-разрядное устройство, работающее путем управления внутренним напряжением, управляет зарядкой и разрядкой, основываясь на значениях внутреннего напряжения батареи. Это внутреннее напряжение представляет собой напряжение батареи (электродвижущая сила), когда ток не протекает через нее. Внешнее напряжение включает в себя падение I x r, вызванное разрядным током, I. Новая система состоит из зарядно-разрядного устройства, которое управляет напряжением с помощью своего внутреннего напряжения следующим образом. Цель состоит в том, чтобы полностью зарядить аккумулятор, пропуская к нему достаточный ток. По мере того как батарея многократно заряжается и разряжается, она постепенно портится. Внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается до тех пор, пока ток в конце концов не перестанет протекать через него. Схема аккумуляторной батареи будет выглядеть так, как показано на рисунке 2.

 Схема работы аккумулятора

E = V - r I

E-внутреннее напряжение батареи (электродвижущая сила), V-внешнее (клеммное) напряжение, а r-эффективное внутреннее сопротивление. Понятно, что, когда постоянный ток течет к батарее, напряжение на клемме, V, изменяется из-за внутреннего сопротивления, r. По мере того, как батарея приходит в негодность и внутреннее сопротивление, r, увеличивается, напряжение на клемме, V, увеличивается до 14,5 В за короткий промежуток времени и зарядка заканчивается. В этом состоянии зарядка заканчивается практически без учета электродвижущей силы аккумулятора. Достаточное количество тока не поступает к батарее, и в результате батарея полностью не заряжается. Зарядно-разрядное устройство, работающее по внутреннему контролю напряжения, устраняет влияние этого внутреннего сопротивления, чтобы накопить достаточное количество энергии в батарее.

Основная схема многократной зарядки и разрядки аккумулятора приведена на рисунке 3. Она состоит из релейных цепей для управления зарядкой и разрядкой аккумулятора, а также измерительной цепи. При зарядке реле заряда включено, а реле разряда выключено, поэтому зарядный ток течет от зарядного устройства к батарее. При разрядке реле заряда выключено, в то время как разрядник включен, следовательно, ток разряда течет от батареи к нагрузке. Принципиальная схема зарядно-разрядного устройства

Схема реле для предыдущего управления зарядкой и разрядкой аккумулятора показана на рисунке 4. Реле заряда и реле разряда на рисунке 3 регулируют поток тока таким образом, что при достижении напряжения батареи 14,5 В устройство переключается на разрядку, а при падении напряжения до 10,5 В-обратно на зарядку. Реле заряда и реле разряда переключаются в зависимости от напряжения. Этот хронометраж и схема таковы. На рис. 4 показано, как переключаются положения реле заряда и реле разряда.

Релейная схема для управления зарядкой и разрядкой аккумуляторных батарей 

Измерительное реле на рисунке 4 представляет собой счетчик с переключателями для управления положением цепи в зависимости от уровня напряжения.

Когда максимум установлен на 14,5 В, а минимум-на 10,5 В, и напряжение батареи достигает этих уровней, переключатели активируются. Кроме того, реле A, B, 1 и 2 управляют реле заряда и разряда, которые управляют потоком постоянного тока к батарее.

При зарядке включается переключатель А1, поэтому на реле 2 подается напряжение 12 В, и в результате реле 2 включается. Соответственно, включается реле заряда, а значит, ток поступает на аккумулятор и начинается зарядка. Кроме того, реле 1 выключено, поэтому разрядное реле остается выключенным.

Когда аккумулятор полностью заряжен и напряжение превышает 14,5 в, включается верхний конец реле счетчика. В этот момент включается B1 и включается реле 1. Соответственно, поскольку реле разряда включается, ток течет от батареи к нагрузке и начинается разрядка. В это время реле 2 выключено, следовательно, реле заряда выключено.

Здесь, когда напряжение падает, как верхний, так и нижний концы реле счетчика выключаются, как при зарядке, но цепь самоподдерживается, так что разрядка продолжается. С помощью АЦП-преобразователя все напряжения и токи записываются в ПК и измеряются.

Эксперименты подтвердили, что внутренний регулятор напряжения хорошо работает для процесса зарядки-разрядки. Срок службы аккумуляторов значительно увеличивается при повторном использовании глубокого цикла по сравнению с методом обычного внешнего регулирования напряжения. Это означает, что емкость батарей может быть достаточно использована при использовании внутреннего контроллера напряжения. При глубокой зарядке аккумуляторов можно избежать эффекта сульфатации. Этот метод может быть применим, когда используются добавки для продления срока службы аккумулятора, поскольку верхний предел зарядки батарей увеличивается.