Методы заряда аккумуляторной батареи

Заряд аккумуляторных батарей можно произвести 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 отрицательныйвывод батареи - с отрицательным.  Во время процесса заряда мгновенное значение зарядного тока будет оптеделятся следующим соотношением:  Iз=(Uзу - Uб)/R, где Uзу это напряжение зарядного устройства, Uб - 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 источника больше напряжения батареи, зарядный ток будет тем больше, чем выше напряжение зарядного устройства. В случае, когда напряжение зарядного устройства меньше напряжения батареи, происходит разряд батареи. При этом желательно, чтобы зарядное устройство, предназначенное для разряда одной 12-вольтной АКБ, имело возможность обеспечить величину зарядного напряжения до 16,0-16,5 В, в противном случае, современную необслуживаемую батарею не удастсязарядить полностью, до состояния 100% степени заряженности.

Напряжение батареи при зарядке изменяется в зависимости от температуры электролита и степени ее заряженности. Поэтому в процесе заряда желательно иметь возможность регулировки параметров зарядного процесса (тока или напряжения). Процес заряда может быть осуществлен различными режимами в зависимости от применяемых в зарядных устройствах систем регулирования напрвжения или тока.

В практике пользуются одной из двух основных  возможностей  реализации процесса заряда аккумуляторных батарей, а именно зарядом при постоянстве тока или зарядом при постоянстве напряжения. Оба этих метода равнценны с точки зрения их влияния на долговечность батареи. 

МЕТОД №1: ЗАРЯД ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

При  этом режиме заряда сила тока в течении всего времени заряда должна оставаться неизменной. Для этого в ходе заряда необходимо менять напряжение зарядного устройства или сопротивление цепи. Большинство выпускаемых выпрямительных устройств, предназначены для заряда аккумуляторных батарей, питается от сети переменного тока и имеет либо ступенчатую, либо плавную регулировку тока. Недостатком такого способа заряда  являются необходимость регулярного (каждые 1-2 часа) контроля и регулирования величины зарядного тока, а также обильное газовыделение в конце заряда.

Величина степени заряженности перед началом заряда оценивается обычно по плотности электролитпа и вычисляется из условия соответствия снижения плотности электролита на величину 0,01 г/см3 от исходного состояния (обычно 1,27 - 1,28 г/см3) снижению на 6,25% степени заряженности батареи. Например, при плотности электролита 1,24 г/см3 степень заряженности батареи можно считать равно 100 - [6,26 * (1,28 - 1,24)] = 100 - 25= 75%

Средний КПД зарядного процеса при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С. Коэффициен 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 нормальных условиях (при комнатной температуре) процесс заряда в первый момент идет с максимальным коэффициентом использования тока. Повышение степени заряженности и возрастание поляризации проводит к увеличению суммарного внутреннего сопротивления батареи и увеличению потерь энергии на нагреве электролита, электродов и других элементов батареи.  Кроме того, на заключительной стадии заряда ничинается вторичный процесс - электролиз воды, входящей в состав электролита.

Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита, что свидетельствует о завершении процеса заряда батареи. С целью снижения потерь энергии при заряде, уменьшения нагрева батареи и предохранения уровня электролита от чрезмерного снижения рекомендуется в конце процеса заряда снижать силу зарядного тока.

Для заряда при постоянном токе наиболее распространенным является режим, который состоит из двух ступеней. Первая ступень заряда производится при токе, равном 10% от номинальной емкости, до тех пор, пока напряжение на 12 В батарее не достигнет 14,4 В (2,4 В на каждом аккумуляторе). Далее сила зарядного токаснижается вдвое до величины 5% от номинальной емкости. Заряд при такой силе тока продолжается до постоянства напряжения и плотности электролита в аккумуляторах и течении двух часов. При этом в конце заряда наблядается бурное выделение газа, приводящее к кипению электролита.

Понижение силы тока в конце заряда позволяет уменьшить влияние перегрева на последующую работоспособность и срок службы батареи, уменьшить потери воды, а также обеспечить полноту заряда. Поэтому, для заряда современных необслуживаемых батарей без отверстий  для доливки воды рекомендуется после достижения 15,0 В еще раз уменьшить ток заряда в два раза до значения 2,5 % от емкости, и при такой силе тока продолжать заряд до постоянства напряжения и плотности электролита в аккумуляторах в течении двух часов. У современных необслуживаемых батарей такое состояние наступает при напряжении 16,3 - 16,4 В и зависит от состава сплава токоотводов и чистоты электролита (при условии, что его уровень соответствует норме).

Уравнительный заряд

Такой заряд производится при постоянной силе тока менее 10% от емкости батареи (обычно 3-5%) в течение несколько большего времени, чем при обычном заряде. Его цель - обеспечить полное восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов. Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов и рекомендуется как мера, устранаящаянараста.щую сульфатацию электродов, вызванную длительной эксплуатацией АКБ при заряженности менее 70%. Заряд продолжается до тех пор, пока во всех аккумуляторах батареи не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжение в течении трех часов.

Форсированный заряд

При необходимости в короткое время восстановить работоспособность глубоко разряженной аккумуляторной батареи применяют данный способ. Такой заряд может производиться токами величиной до 70% от номинальной емкости, но в течении короткого времени. Время заряда тем меньше, чем больше величина зарядного тока. Практически при заряде током 70% от емкости продолжительность заряда не должна быть более 30 минут, при 50% около 45 минут, а при 30% около 90 минут. В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита при достижении 45С прервать заряд. Следует отметить, что применение форсированного заряда должно быть исключением, так  как его систематическое многократное повторение для одной и той же аккмуляторной батареи сокращает ее срок службы.

МЕТОД №2: ЗАРЯД ПОСТОЯННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

При этом способе в течении всего времени заряда поддерживается постоянное напряжение зарядного устройства. В результате, зарядный ток убывает в процесе заряда по причине увеличения внуреннего сопротивления батареи. В первый момент после включения сила зарядного тока определяется слудующими факторами: выходным напряжением источника питания, степенью заряженности батареи и количеством последовательно включенных батарей, а также температурой электролита батареи. Если в схеме зарядного устройства не предусмотрены специальные схемные решения для ограничения первоначального тока, то при достаточной мощности устройства сила зарядного тока в начальный момент заряда может достич величин 100-150% от номинальной емкости.

Для исправных, но разряженных батарей такие токи не принесут вредных последствий. Однако для обеспечения безопасности и снижения стоимости зарядных устройств применяются схемы решения, которые ограничивают величину зарядного тока в начале процеса заряда до 25 - 30А.

При заряде таким методом степень заряженности АКБ в конце заряда напрямую зависит от величины зарядного напряжения, которое обеспечивает зарядное устройство. Так, например, при напряжении 14,4 В после 24 часов непрерывного заряда степень заряженности АКБ, которая до начала заряда была полностью разряжена, составит около 70 - 80%, при напряжении 15 В - 85 - 90%, а при напряжении 16,0 В - 95 - 97%. Для полного заряда предварительно разряженной АКБ в течение суток необходимо напряжение зарядного устройства 16,3 - 16,4 В.

Несмотря на большие токи, в начальный момент зарядного процесса общая продолжительность полного заряда батарей примерно соответсвует режиму при постоянстве тока. По мере повышения степени заряженности напряжение на выводах АКБ постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, следовательно, ток заряда уменьшается. Заключительный этап заряда при постоянственапряжения происходит при достаточно малой силе тока. Если величина зарядного напряжения выпрямитея ниже величины начала газовыделения, то в конце заряда при приближении значения тока к нулю еще не происходит газовыделение.

И хотя степень заряженности при таком заряде будет не более 80%, заряд по такой методике в ряде случаев предпочтителен, так как он обеспечивает более быстрое доведение батареи до состояния, позволяющего обеспечить пуск двигателя. Кроме того, энергия, сообщаемая на начальном этапе заряда, расходуется преимущественно на основой зарядный процесс, то есть на восстановление активной массы электродов. При этом процесс газообразования в аккумуляторе еще невозможен.

Однако для удовлетворительного (на 90-95%) востановления степени заряженности современных после глубоких разрядов такие зарядные устройства, имеющие максимальное зарядное напряжение, равное 14,4 +/- 0,1 В, непригодны.

При реальной эксплуатации АКБ заряд от генератора осуществляется в режиме постоянного напряжения, величина которого определяется регулятором напряжения. Производители автомобилей по согласованию с производителями АКБ  установили уровень зарядного напряжения, обеспечиваемый регулятором, равным 14,1+/- 0,1В, что ниже напряжения интенстивного газовыделения.

В летнее время такое значение зарядного напряжения позволяет поддержать степень заряженности АКБ близкой к 100% и избегать перезаряда, даже при достаточно высокой  температуре окружающей среды (30-35С). При снижении температуры эффективность заряда при постоянном напряжении регулятора уменьшается вследствии повышения внутреннего сопротивления батареи. Поэтому на автомобиле не всегда полностью восстанавливают свою емкость, особенно после глубокого разряда. Поэтому зимой средняя степень заряженности АКБ составляет 70 - 75%, если напряжение на ее клеммах составляет 13,9 - 14,3 В при работающем двигателе.

При эксплуатации в процесе движения в городском цикле АКБ подвергается работе в циклическом режиме чередующихся кратковременных разрядов во время остановок (например, на перекрестках при пропуске транспорта или пешеходов) и зарядов во время интенсивной работы двигателя при разгоне и движении с постоянной скоростью. Величина поляризационного сопротивления АКБ при таком режиме работы значительно ниже, чем при постоянном заряде в станционных условиях. Поэтому эффективность заряда в циклическом режиме при более низком напряжении сопоставима с эффективностью заряда при напряжении начала газовыделения в условиях стационарного заряда, то есть при более высоком его значении.

И тем не менее зимой, при низких температурах (ниже минус 15С), требующих более длительного заряда повышенной мощностью для пуска двигателя, в условиях коротких пробегов и частых пусков, целесообразно переодически, желательного не реже одного раза в месяц , производить оценку состояния заряженности АКБ и при необходимости заряд от стационарного усторйства при положительной температуре.