Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур



Аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но их зарядка является несколько более деликатным процессом и требует особых условий и внимания. Крайне холодная или наоборот жаркая температура уменьшают способность к зарядке, следовательно, важным аспектом эффективности зарядного процесса является обеспечение умеренной температуры аккумулятора и окружающего пространства.

Такие электрохимические системы, как свинцово-кислотная и никель-кадмиевая, имеют более высокие допуски зарядки в сравнении с новыми системами. Это позволяет производить их зарядку даже при температуре ниже точки замерзания воды, но в таком случае требуется снизить скорость заряда (использовать меньший С-рейтинг). К слову, никель-кадмиевые аккумуляторы более устойчивые к холодной зарядке в сравнении с родственными никель-металл-гидридными.

В таблице 1 приведены допустимые температуры для зарядных и разрядных процессов обычных аккумуляторных батарей. В таблице не учтены специальные аккумуляторы, оптимизированные под эксплуатацию вне стандартного диапазона температур.

Тип аккумулятора Допустимая температура для зарядных процессов Допустимая температура для разрядных процессов Нюансы зарядных процессов
Свинцово-кислотный от -20°С до 50°С от -20°С до 50°С При отрицательных температурах используйте скорость зарядки 0,3С. Понижайте зарядное напряжение на 5 мВ каждый градус при жаркой температуре.
NiCd, NiMH от 0°С до 45°С от -20°С до 65°С В диапазоне от -18°С до 0°С используйте скорость зарядки 0,1С. От 0°С до 5°С — 0,3. КПД зарядки при 45°С составляет 70 %, при 65°С - 45%.
Li-ion от 0°С до 45°С от -20°С до 60°С Зарядка при отрицательных температурах не допускается. При более высоких температурах демонстрируется лучшая производительность зарядки/разрядки, но, с другой стороны, это приводит к уменьшению срока службы.

Таблица 1: Допустимые пределы температур различных электрохимических систем аккумуляторов. Аккумуляторы могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но для зарядных процессов этот диапазон меньше. Для достижения наилучшей производительности во время зарядки используют диапазон от 10°С до 30°С. В случае зарядки при холодных температурах зарядный ток следует уменьшить.

1. Зарядка аккумулятора при низких температурах

Возможность быстрой зарядки для большинства аккумуляторов ограничена диапазоном от 5°С до 45°С. Лучшие же показатели достигаются в диапазоне от 10°С до 30°С, так как в аккумуляторах на основе никеля при температуре ниже 5°С теряется способность к рекомбинации водорода и кислорода. И если заряжать большой силой тока аккумулятор при такой температуре, то будет возрастать внутреннее давление, что в конечном итоге может привести к истощению электролита или даже повреждению аккумулятора. Поэтому следует уменьшать скорость зарядки всех аккумуляторов на основе никеля до 0,1С при отрицательных температурах.


Зарядные устройства Blue Power (Голландия)

 

Blue Power IP20 Blue Power IP65 Blue Power IP67
Зарядное устройство для гелевых аккумуляторов Бестрансформаторное зарядное устройство водонепроницаемое зарядное устройство
12/24В, 15-40А 12/24В, 5-40А 12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

Зарядное устройство для аккумуляторов на основе никеля, включающее функцию обнаружения полного заряда, по изменению напряжения может предлагать некоторую защиту при “холодной” зарядке - поведение аккумулятора при холодной температуре напоминает поведение полностью заряженного. Это отчасти вызвано повышением внутреннего давления из-за угнетения способности к рекомбинации газов. Повышение давления и падение напряжения при полном заряде по сути являются одним и тем же сигналом для такого зарядного устройства.

Для доступности быстрой зарядки независимо от окружающей температуры, в некоторых промышленных образцах аккумуляторов используется специальное термическое “одеяло”, которое нагревает аккумулятор до приемлемой температуры; в других случаях, зарядные устройства дополняются специальной функцией, которая анализирует температурные показатели и выбирает необходимую зарядную силу тока. Обычным пользователям такие возможности, к сожалению, недоступны, поэтому очень строго рекомендуется проводить зарядку только при комнатной температуре.

Свинцово-кислотные аккумуляторы довольно простительно относятся к экстремальным температурам зарядки, примером такого отношения может служить эксплуатация автомобиля, оборудованного стартерным аккумулятором. Такая простительность отчасти объясняется природным вялотекущем поведением этой электрохимической системы. Рекомендуемая скорость “холодной” зарядки составляет 0,3С, что практически идентично скорости при нормальных условиях. При умеренной температуре 20°С газообразование начинается при достижении напряжения 2,415 В на элемент, а при -20°С это пороговое напряжение возрастает до 2,97 В на элемент.

Замерзание свинцово-кислотного аккумулятора приводит к необратимым последствиям. Всегда храните аккумуляторы полностью заряженными, так как в разряженном состоянии в электролите больше воды, и, следовательно, он раньше замерзнет. Для сравнения, температура замерзания электролита с удельной плотностью 1,15 составляет -15°С, а 1,265 (что соответствует полностью заряженному состоянию) ― -55°С. Затопленные аккумуляторы после замерзания, как правило, имеют повреждения корпуса и протекают, а герметичные, хоть корпус и цел, настолько теряют в характеристиках, что их хватает только на несколько циклов.

Литий-ионные аккумуляторы имеют довольно неплохие зарядные характеристики при прохладных температурах, и диапазон температур, годящихся для быстрой зарядки, составляет от 5°С до 45°С. При температуре ниже 5°С ток зарядки должен быть уменьшен, а при температуре ниже нуля никакая зарядка уже не допускается. Во время зарядных процессов внутреннее сопротивление может вызывать некоторое повышение температуры, которое, в свою очередь, может компенсировать часть низкой окружающей температуры. Повышение внутреннего сопротивления при холоде присуще всем электрическим батареям.


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Многие потребители не знают, что стандартные литий-ионные аккумуляторы не могут заряжаться при температуре ниже 0°С. Дело в том, что в таких условиях возможно необратимое оседание металлического лития на аноде. Аккумулятор с таким “наследством” станет крайне чувствителен к вибрации и другим механическим воздействиям. Продвинутые зарядные устройства имеют функцию ограничения зарядки исходя из температурных условий.

Проводятся исследования в сфере “холодной” зарядки литий-ионных аккумуляторов. Доподлинно стало известно, что зарядку все-таки можно проводить, но крайне малыми значениями зарядного тока. Безопасная скорость зарядки при -30°С составляет 0,02С, и чтобы полностью зарядить аккумулятор потребуется около 50 часов. Несколько непрактично, не правда ли? Существуют также и специальные литий-ионный аккумуляторы, оптимизированные под “холодную” зарядку и имеющие приемлемую скорость.

2. Зарядка аккумулятора при высоких температурах

Перегрев является злейшим врагом всех электрических батарей, в том числе и свинцово-кислотных. Есть информация, что использование зарядного устройства с функцией корректировки температурных колебаний позволяет увеличить срок службы свинцово-кислотного аккумулятора на 15 процентов. Рекомендуемым изменением напряжения является снижение на 3 мВ за каждый градус превышения нормальной температуры. Если напряжение подзарядки установлено на 2,30 В при 25°С, то при 35°С оно должно составлять уже 2,27 В. Тот же принцип действует и при понижении температуры, следовательно, при 15°С рекомендуемое напряжение подзарядки будет 2,33 В. Шаг в 10°С подразумевает изменение напряжения в 30 мВ.

В таблице 2 показаны оптимальные пиковые значения напряжения при различных температурах для свинцово-кислотных аккумуляторов. Также в таблице указывается рекомендуемые значения напряжения поддержания заряда.

Режим зарядки -40°С -20°С 0°С 25°С 40°С
Предельное напряжение зарядки 2,85 В на элемент 2,70 В на элемент 2,55 В на элемент 2,45 В на элемент 2,35 В на элемент
Предельное напряжение поддержания заряда 2,55 В на элемент 2,45 В на элемент 2,35 В на элемент 2,30 В на элемент 2,25 В на элемент

Таблица 2: Рекомендуемые пределы напряжения при режимах зарядки и поддержания заряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Указанный механизм компенсации напряжения позволяет продлить срок службы аккумулятора при экстремальных температурах.

Зарядка аккумуляторов на основе никеля при высоких температурах вызывает снижение генерации кислорода, что уменьшает способность к приему заряда. Также излишнее тепло сбивает с толку зарядное устройство, которое фиксирует несуществующий полный заряд.

На рисунке 3 показано довольно сильное снижение эффективности зарядки при 30°С относительно “линии 100-процентного КПД”. При 45°С аккумулятор может поглотить только 70 процентов энергии, а при 60°С - уже только 45 процентов. Методы обнаружения полного заряда, основанные на фиксации изменений напряжения, при высоких температурах становятся ненадежными.

Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур

Рисунок 3: Эффективность приема заряда никель-кадмиевыми аккумуляторами в зависимости от температуры окружающей среды. Высокая температура уменьшает эффективность зарядки, это можно увидеть по отклонению от “линии 100- процентного КПД”. При 55°С потребительский NiMH аккумулятор имеет эффективность зарядки на уровне 35-40 процентов; более продвинутые промышленные версии могут достигать 75-80 процентов.

Литий-ионные аккумуляторы показывают неплохую производительность при повышенных температурах, но длительное воздействие такого фактора может привести к снижению долговечности. Условия эксплуатации некоторых аккумуляторов на основе лития могут предполагать постоянное или частичное соприкосновение с высокими температурами. Это может относиться к аккумуляторам различных хирургических устройств, которые нуждаются в 20-минутной стерилизации при температуре 137°С. Такие же условия могут возникать в сфере добычи и производства газа и нефти, где также широко используется аккумуляторная техника.

Потери емкости при повышенных температурах находятся в прямой связи с используемой степенью заряда. На рисунке 4 показано поведение литий-кобальтового (LiCoO2) аккумулятора, к которому применялось обыкновенная зарядка при стандартных температурах и 90-минутная зарядка при 130°С до степени заряда в 20, 50 и 100 процентов. Как видим, при стандартных температурах потери емкости несущественны. При высокотемпературной же эксплуатации, 20-процентная степень заряда обеспечит небольшую потерю емкости после 10 циклов. Эти потери заметно больше при 50-процентной степени заряда, а при 100-процентной имеют разрушительный характер.

Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур

Рисунок 4: Потери емкости при комнатной температуре и при 130°С. Стерилизация хирургических приспособлений, имеющих аккумулятор, должна проводиться при их низкой степени заряженности.

Внимание! В случае попадания электролита на кожу немедленно промойте место поражения водой. При попадание в глаза следует промывать их в течение минимум 15 минут и после обратиться к врачу.

Последнее обновление 2016-02-23


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса