Зарядные устройства для химических источников тока

Зарядить аккумулятор очень просто:
если Вы не перепутали полярность и обеспечили приемлемый ток, то главное – вовремя остановиться.

Сегодня мало кто представляет свою повседневную жизнь без аккумуляторов. Кроме мобильных телефонов, портативных компьютеров и радиостанций, электроинструмента и многого другого, где применение аккумуляторов само собой разумеется, последние начинают вытеснять из употребления первичные элементы – старые добрые батарейки. Появление щелочных аккумуляторов в размерах бытовых батареек яркое тому свидетельство. Естественно, кто же откажется несколько сот раз использовать батарейку, цена которой лишь в 2 – 3 раза выше?! Одним словом, чем дальше, тем больше аккумуляторов будет применяться в быту и технике. Но для того, чтобы получить эти самые несколько сотен циклов эксплуатации, которые отличают аккумулятор от первичного элемента, нужно их правильно эксплуатировать.

Под правильной эксплуатацией аккумуляторов следует понимать соблюдение условий разряда и заряда. Что касается разряда - не следует, во-первых, превышать максимально допустимые разрядные токи и, во-вторых, переразряжать аккумулятор. Первое достигается правильным выбором типа и емкости аккумулятора, второе можно обеспечить при помощи специальных сервисных устройств, обеспечивающих автоматическое отключение аккумулятора от нагрузки при полном разряде. Большинство мобильных телефонов, портативных компьютеров и видеокамер имеют в своем составе такие устройства. Кроме того, если пользователь (оператор) достаточно внимателен, и выключит, например, свой аккумуляторный фонарик, свет которого начал меркнуть, то с его аккумулятором ничего не случится.

Разряженные аккумуляторы нужно правильно зарядить. На бытовых щелочных аккумуляторах обычно написано, как это сделать. Как правило изготовители рекомендуют "стандартный" заряд - ток 0,1Сном (где С – номинальная емкость аккумулятора), время 14 – 16 часов. В подавляющем большинстве случаев этот режим заряда и является правильным с точки зрения обеспечения долговечности аккумулятора, но не каждый пользователь согласится ждать половину суток заряжая аккумулятор мобильного телефона или видеокамеры. Поэтому в большинстве случаев применяется почти правильный так называемый “быстрый” заряд. Поскольку каждый тип аккумуляторов имеет свои особенности, обусловливающие область их применения и требования к заряду, то имеет смысл говорить о методах заряда для каждого типа аккумуляторов в отдельности. Далее в этой статье я не буду рассматривать первичные элементы, поэтому во избежание путаницы договоримся, что аккумулятор или элемент это элементарный заряжаемый гальванический источник тока, а батарея – последовательно соединенные два и более аккумулятора. Я воздержусь от описания эксплуатационных свойств аккумуляторов и буду рассматривать их различные типы только с точки зрения процесса заряда.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотным аккумулятором называется гальванический элемент, в котором активным веществом положительного электрода служит двуокись свинца, а отрицательного – губчатый свинец. Рассмотрим химические реакции при заряде кислотного аккумулятора:

PbSO4 + PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4 (1)

при перезаряде:

2H2O = 2H2+O2 (2)

побочная реакция:

H2SO4 = SO3 + H2O (3)

Из уравнения (1) видно, что при заряде на отрицательном электроде восстанавливается губчатый металлический свинец, а на положительном – двуокись свинца.

Свинцово-кислотные аккумуляторы бывают заливные и герметичные. Заливные более дешевые и допускают замену и долив электролита. В настоящее время наблюдается тенденция на снижение их применения, т.к. они пригодны лишь для стационарного использования и неприменимы в жилых и рабочих помещениях из-за выделения различных газов в процессе эксплуатации (см. уравнения (2) и (3)). Разумеется молекула серного ангидрида SO3 тяжелая и малоподвижная. Скорее всего, она прореагирует с водяным паром и вернется в раствор электролита, но при перезаряде (2), когда газообразование идет активно, вполне вероятен вынос ядовитого газа в окружающее пространство. Количества его малы, но в закрытом помещении... К тому же смесь газов получающихся в результате реакции (2) взрывоопасна. Однако, с точки зрения заряда, это самые неприхотливые аккумуляторы. Их можно заряжать токами до 0,25 Сном, а условием окончания заряда приблизительно можно считать достижение некоторого напряжения, например, для температуры 20оС это напряжение составит 2,43 – 2,53 в. Кроме того, если даже этот порог превышен, то перезаряд приведет к “кипению” – электрохимическому разложению воды. При условии, что помещение хорошо проветривается, единственной проблемой станет восстановление нормального уровня электролита.

Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторы

Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторы отличаются от заливных в основном применением гелиевого электролита и герметичностью контейнера. На этом типе следует остановиться и рассмотреть его более подробно. Если не считать немного более высокой стоимости, герметичный кислотный аккумулятор лишен недостатков заливного, что значительно расширяет область его применения. Что из себя представляет и какие особенности имеет этот тип довольно подробно описано в [1]. С точки зрения заряда, это самый лучший в смысле простоты аккумулятор. Во-первых, о степени заряженности однозначно свидетельствует напряжение на аккумуляторе 2,43 –2,53 в для циклического режима заряда, а во-вторых, даже при превышении зарядного напряжения, не происходит выделения газов – рекомбинация в толще гелиевого слоя и на пробках клапанов, выполненных из каталитической резины. Однако, при значительных токах заряда, скорость выделения газов может превысить скорость рекомбинации, и сработает предохранительный клапан. Кислотные аккумуляторы можно заряжать в широком диапазоне температур -20 – +50оС. Максимальные зарядные токи – до 0,35 Сном.

Заряжать кислотные аккумуляторы можно от любого источника тока, обеспечив выполнение условия – не превышать величину максимального зарядного тока. Условие окончание заряда – достижение напряжения порога отключения можно контролировать по вольтметру или началу “кипения”, которое можно определить на слух. Для того чтобы освободить человека от контроля процесса заряда аккумуляторной батареи, применяются автоматические зарядные устройства.

Простое автоматическое зарядное устройство (далее ЗУ) приведено на схеме 1.

Источник питания заряжает аккумуляторную батарею (далее АБ) через управляемый ключ. Устройство управления отслеживает напряжение на АБ и, при достижении напряжения

U = (2,35 – 2,43) х N Вольт

(где N – количество элементов в батарее), выдает сигнал разомкнуть ключ. Зависимости токов и напряжений от времени приведены на рис 1а.

Эффективность такого заряда составляет 80 – 90% в зависимости от величины тока в конце заряда. Для получения полного заряда требуется вторая ступень дискретного или непрерывного дозаряда. При дискретном дозаряде устройство управления после отключения ключа продолжает контролировать напряжение на АБ и при его снижении до порога включения снова замыкает ключ. По мере достижения полного заряда длительность импульсов дозаряда уменьшается, а паузы увеличиваются, так как порог отключения по мере заряда достигается быстрее, а нижний порог включения медленнее (рис. 1б). Применяется этот способ при малых токах заряда, так как большие токи на конечной стадии заряда кислотных аккумуляторов нежелательны. Кроме того, у побывавших в эксплуатации аккумуляторов обычно повышается внутренне сопротивление, что приводит к преждевременному достижению порога отключения.

Лучшим, но более сложным является так называемое "быстрое" автоматическое зарядное устройство (схема 2). Здесь от источника питания питаются стабилизаторы тока и напряжения. Стабилизатор тока выдает максимальный допустимый ток заряда, по мере роста напряжения на АБ уменьшает его, а при достижении порога, переводит АБ во вторую стадию – заряд постоянным напряжением U=(2,26 – 2,31)*N от стабилизатора напряжения. Именно эта схема заряда рекомендуется всеми фирмами производителями АБ, с различными вариациями. например фирма PANASONIC (Япония) рекомендует постоянный стабильный ток на все время заряда, а фирма Sonnensheinn (Германия) для аккумуляторов серий А400 и А500 рекомендует несколько большее пороговое значения напряжения. Разумеется это устройство сложнее и дороже других.

Оптимальным по сумме параметров, включая стоимость, является автоматическое зарядное устройство (схема 3). Здесь источник питания, как в зарядном устройстве на схеме 1, обеспечивает ограничение тока и питает стабилизатор напряжения, отрегулированный на напряжение Uз=(2,26 – 2,31) х N Вольт. До достижения указанного напряжения ток заряда будет определять источник питания, а при достижении на АБ напряжения Uз стабилизатор напряжения войдет в режим и будет ограничивать ток, поддерживая напряжение на АБ постоянным. Именно этот метод применяется для заряда батарей работающих в буферном режиме или находящихся в горячем резерве. Зависимости токов и напряжений от времени заряда приведены на Рис.1а, 2 и 3 соответственно зарядным устройствам на схемах 1, 2 и 3.

Существует множество публикаций о заряде кислотных аккумуляторов асимметричным током – чередуя импульсы заряда и разряда. Якобы такой метод заряда повышает срок службы аккумуляторов, но у авторов нет единого мнения по поводу величины и формы этих импульсов. Если учесть, что кислотные аккумуляторы являются самыми дешевыми, то применение дорогих устройств для сомнительного продления их срока службы вряд ли целесообразно.