Одинаковый ток подзаряда даже при оптимальном напряжении подзаряда батареи может быть недостаточным для поддержания всех элементов батареи в полностью заряженном состоянии. Это происходит из-за различий в саморазряде отдельных элементов.

Для приведения всех элементов АБ в полностью заряженное состояние и для предупреждения сульфатации электродов необходимо проводить уравнительные заряды напряжением 2,30ч2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,20ч1,21г/см3 при температуре 20 °С. Уравнительный заряд проводят по программе. Производить уравнительный заряд батареи должен работник, ответственный за эксплуатацию АБ.

Для фирменных батарей необходимость, периодичность и условия выполнения уравнительных зарядов определяют в соответствии с технической документацией фирм-поставщиков или заводов-изготовителей.

Частота проведения уравнительных зарядов и их продолжительность зависят от состояния батареи и должны быть не реже одного раза в год с продолжительностью не менее 6 часов. На тех АБ, где по условию работы электроустановки напряжение подзаряда может поддерживаться только на уровне 2,15 В на элемент, уравнительные заряды необходимо проводить ежеквартально

Если во время контроля отклонение напряжения на АЭ превышает среднее значение на ±0,05 В, то необходимо дополнительно проконтролировать плотность электролита в этом элементе (и при необходимости скорректировать ее). Если в АБ имеются единичные элементы с пониженным напряжением и сниженной плотностью электролита (отстающие аккумуляторы), то для них необходимо проводить дополнительный уравнительный заряд от отдельного выпрямительного устройства.

Уравнительный заряд производится без вывода АБ из работы. Зарядное устройство включается по схеме заряда на все элементы (основные и концевые). Номинальное напряжение на шинах постоянного тока поддерживается при помощи переключения шинок управления в положение 100го элемента. Для выравнивания тока заряда необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление между 100м и последним элементом (RН1).

В том случае, если аккумуляторная батарея имеет дополнительные элементы, то необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление параллельно этим элементам (Rн2).Возможен вариант использования одного регулируемого сопротивления, в нормальном режиме подключенного между 108-120 эл., которое при уравнительном заряде подключается к 100 - 120 эл.

Контрольный разряд АБ

Контрольный разряд АБ на ПС производится с целью определения ее фактической емкости током 10ти или 3х часового режима разряда. Решение о проведении контрольного разряда оформляется после анализа ее состояния и работоспособности по результатам инспекторских осмотров, проверки толчковым током, наличии значительного количества отстающих элементов, наличии невыясненных причин отказов включения масляных выключателей. Контрольный разряд выполняет лицо, ответственное за эксплуатацию АБ, при наличии разрешенной заявки и в соответствии с утвержденной главным инженером МЭС программой.

Перед контрольным разрядом АБ необходимо произвести уравнительный заряд АБ. Перед началом разряда необходимо зафиксировать дату разряда, напряжение, плотность электролита каждого АЭ и температуру в контрольных элементах.

Глубина разряда должна строго контролироваться по двум параметрам: по напряжению и плотности электролита. Если контрольный разряд проводится током 3х или 10ти часового режима разряда, то в этом случае разряд должен прекращаться при достижении хотя бы на одном элементе напряжения 1,8 В. При разряде малыми токами разряд должен прекращаться:

· при снижении напряжения до 1,8 В хотя бы на одном элементе;

· при снижении плотности электролита до значения с= 1,15 г/см3 (на 0,03ч0,05 г/см3 против первоначальной плотности в начале разряда)

· при снятии номинальной емкости 10ти часового режима разряда.

При разряде не допускается отнимать от АБ емкость, большую гарантированной для данного режима разряда. Во время разряда на контрольных и отстающих АЭ следует измерять температуру и плотность электролита согласно с таблицей №2.

Таблица №2 Объем необходимых измерений при разряде АБ

В конце разряда на всех элементах АБ необходимо измерить и записать напряжение, температуру и плотность электролита, а также напряжение между полюсами АБ и между каждым полюсом и «землей». Отобрать пробы электролита из контрольных элементов для химического анализа и проверки содержания примесей в электролите. После первого года эксплуатации анализ электролита необходимо выполнить из всех элементов АБ.

Значение тока разряда каждый раз должно быть одно и то же Результаты измерений при контрольных разрядах должны сравниваться с результатом измерений предыдущих разрядов. Их значения не должны отличаться более чем на 10 %.

Если при контрольном разряде выяснится, что емкость АБ значительно отличается от номинальной, необходимо проверить емкость электродов при помощи кадмиевого электрода и в зависимости от результатов проверки наметить мероприятия по восстановлению емкости АБ.

Март 2016

Как известно, работа свинцово-кислотной аккумуляторной батареи основана на возникновении разности потенциалов между двумя электродами, погруженными в электролит. Активное вещество отрицательного катода – чистый свинец, а положительного анода – двуокись свинца. В системах резервного и автономного питания могут применяться аккумуляторы, изготовленные по разным технологиям: обслуживаемые наливные, герметичные гелевые или AGM. Вне зависимости от технологии, химические процессы, протекающие в свинцово-кислотных аккумуляторах, схожи:

При разряде через пластины проходит электрический ток, и пластины покрываются серным окислом (сульфатом) свинца. Сульфат свинца оседает на пластинах в виде пористого налета. При заряде идет обратная реакция восстановления активного вещества, на отрицательных пластинах накапливается чистый свинец, а на положительных – пористая масса окиси свинца. К сожалению, полное восстановление активного вещества в каждом новом цикле разряда-заряда невозможно . При эксплуатации неизбежно происходит так называемое старение аккумулятора, то есть постепенная потеря емкости – вплоть до допустимого предела эксплуатации, обычно принимаемого по снижению емкости до 60% от исходной. В идеальных условиях реальный срок эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме может приближаться к номинальному.

Процесс старения аккумулятора может значительно ускориться в силу действия следующих разрушающих процессов:

• Сульфатация пластин;
• Коррозия пластин и осыпание активной массы;
• Испарение электролита или так называемое «высыхание» аккумулятора;
• Стратификация электролита (характерно только для наливных АКБ).

Сульфатация пластин

Когда аккумулятор разряжен, рыхлая активная масса превращается в твердые микрокристаллы сульфата свинца. Если зарядку аккумулятора не производить длительное время, микрокристаллы укрупняются, налет уплотняется и перекрывает доступ электролита к пластинам, что делает зарядку аккумулятора невозможной. Факторы, повышающие риск сульфатации: длительное хранение в разряженном состоянии; хронический недозаряд аккумулятора в циклическом режиме (необходим 100% заряд не реже чем раз в месяц); экстремально глубокий разряд аккумулятора. Сульфатация пластин может быть частично устранена специальными режимами заряда АКБ.

Коррозия и осыпание активного вещества

При коррозии чистый свинец решетки пластин, взаимодействуя с водой, окисляется в окись свинца. Окись свинца хуже проводит электроток к активному веществу намазки пластин, повышает внутреннее сопротивление и уменьшает стойкость аккумулятора к высоким токам разряда. На положительных пластинах коррозия ослабляет сцепление решетки с активным веществом. Кроме того, само активное вещество положительной пластины постепенно теряет прочность. При каждом цикле намазной слой пластины меняет состояние из объемной массы микрокристаллов окиси свинца в жесткую кристаллическую структуру сульфата свинца. Чередование сжатия и расширения снижает физическую прочность намазного слоя, что в сочетании с ослаблением сцепления приводит к сползанию и осыпанию активного вещества на дно аккумулятора. Коррозия и накопление отслоившегося активного вещества могут приводить к деформации пластин аккумулятора и, при наихудшем развитии событий, к их замыканию.

Факторы, повышающие риск коррозии и осыпания активной массы:

• заряд слишком высоким напряжением;
• заряд недостаточным током – то есть долгое нахождение под высоким напряжением в фазе наполнения;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции («перезаряд»);
• заряд аккумулятора слишком большим током;
• ускоренный разряд аккумулятора слишком большим током.

Осыпание (сползание) активной массы электролита – необратимое явление. Самое опасное последствие сползания активной массы – замыкание пластин.

Испарение электролита

При разряде на положительной пластине аккумулятора из воды образуется кислород. В нормальных условиях поддерживающего заряда кислород рекомбинирует на отрицательной пластине аккумулятора с водородом, восстанавливая исходное количество воды в электролите. Но диффузия кислорода в сепараторе затруднена, поэтому процесс рекомбинации не может быть 100% эффективным. Снижение доли воды изменяет зарядные характеристики аккумулятора и при определенном пороге делает заряд полностью невозможным. Факторы, повышающие риск «высыхания аккумулятора»: эксплуатация при высокой температуре окружающей среды; заряд слишком большим током или напряжением; слишком высокое напряжение поддерживающего заряда - «перезаряд» аккумулятора.

Испарение электролита – необратимое явление для гелевых и AGM аккумуляторов. Основная причина высыхания, особенно для AGM – «перезаряд» аккумуляторов.

Терморазгон и термический пробой аккумуляторов

Старение аккумулятора в силу перечисленных выше процессов происходит ускоренными темпами, однако все же достаточно медленно и часто незаметно.

Рекомбинация газов в герметичной батарее – это химический процесс с выделением тепла. Когда рекомбинация идет при правильных значениях напряжения и тока заряда, нагрев не создает проблем. Однако, когда батарея перезаряжена , внутренняя температура повышается быстрее, чем батарея может быть охлаждена снаружи. Повышение температуры уменьшает зарядное напряжение, что в стадии абсорбции приводит к одновременному увеличению тока. Это в свою очередь вновь повышает температуру.

Запускается самоподдерживающийся цикл увеличения тока и тепловыделения, приводящий, при худшем развитии ситуации, к деформации решеток и внутреннему короткому замыканию с необратимым разрушением аккумулятора.

Факторы, повышающие риск появления эффекта терморазгона:

• прерывистый или «пульсирующий» заряд из-за нестабильного внешнего источника энергии или некачественного зарядного устройства;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции – «перезаряд»;
• плохой теплоотвод или повышенная температура окружающей среды.

Специфика разрушающих процессов в цепочке АКБ

Нетрудно заметить, что при заряде отдельного аккумулятора все факторы риска устранимы обеспечением правильных условий эксплуатации и зарядного алгоритма. Однако в системах резервного энергоснабжения редко используется менее двух аккумуляторов. При параллельно-последовательном соединении зарядное устройство «видит» значения зарядного тока и напряжения только на оконечных клеммах, поэтому на отдельных аккумуляторах напряжения могут серьезно отличаться от рекомендуемых значений. Аккумулятор, имеющий более высокий уровень саморазряда (больший ток утечки), может вызывать перезаряд последовательно соединенных с ним элементов и неполный заряд параллельно соединенных с ним элементов . Перезаряд и недозаряд повышают риск проявления практически всех разрушающих процессов. Поэтому для уменьшения опасности все аккумуляторы в цепочке должны иметь одинаковое состояние заряда и максимально близкие значения емкости. Для новых установок рекомендуется использовать аккумуляторы не только одной марки, но и одной заводской партии. Однако практика показывает, что и в одной партии не бывает даже двух аккумуляторов с точно совпадающими характеристиками емкости, степени заряда и внутренних токов утечки. Тем более требование одинаковых характеристик недостижимо, когда нужно заменить поврежденный аккумулятор в уже эксплуатируемой батарее.

Незначительный разброс по степени заряженности новых аккумуляторов чаще всего сглаживается в процессе приработки за несколько циклов разряда и заряда. Но при значительном разбросе или различиях характеристик емкости разбаланс между отдельными АКБ массива со временем только возрастает.

Систематические перезаряды аккумуляторов с меньшей емкостью и возможные переполюсовки недозаряженных аккумуляторов при глубоких разрядах приводят к накоплению повреждений и выходу из строя отдельных аккумуляторов. В силу эффекта терморазгона даже один вышедший из строя аккумулятор может уничтожить весь массив батареи.

Активное выравнивание заряда аккумуляторов

Сгладить различия параметров аккумуляторов можно используя специальное устройство, называемое балансир заряда АКБ или нивелир разбаланса.

ВАЖНО! Применение балансиров заряда снижает риск возникновения разрушающих процессов, однако не может исправить уже серьезно поврежденный АКБ.

Физически устройство выравнивания заряда аккумуляторов представляет собой компактный электронный модуль, подключаемый к каждой паре последовательно соединенных элементов:

• для батареи номиналом 24В требуется один балансир заряда на цепочку (схема1).
• для батареи номиналом 48В требуется три балансира заряда на цепочку (схема 2).

Электропитание SBB осуществляется от самой батареи или от источника заряда. Собственное энергопотребление SBB мало и соизмеримо с потерями на саморазряд.

Эффективность нивелира SBB2-12-A принципиально выше, чем у других балансиров заряда, работа которых основана либо на шунтировании избыточной зарядной мощности (т.н. пассивные балансиры, создают прямые потери энергии), либо на селективном подзаряде элементов (выравнивание идет только во время заряда). Максимальный ток выравнивания SBB2-12-A – 5А, что превосходит возможности всех представленных на рынке альтернативных устройств.

Эффект применения балансира заряда :

1) Повышение общей надежности и увеличение срока службы аккумуляторов.

2) Увеличение энергоотдачи аккумуляторной батареи, т.к. при глубоких разрядах батарей более полно используется емкость всех аккумуляторов в последовательной цепи.

Балансиры SBB работают постоянно, поддерживая аккумуляторы в равновесном состоянии даже при выключенном зарядном устройстве.

Схема подключения

Схема подключения нивелира (балансира) на батарею 24В и 48В.

Ниже представлены схемы подключения нивелира заряда SBB2-12-A к свинцово-кислотным аккумуляторным аккумуляторам 12В в батареях номиналом 24В и 48В.

Схема 1. Батарея 24В из двух АКБ 12В	Схема 2. Батарея 48В из четырех АКБ 12В

Подключение нивелира (балансира) на батарею из нескольких параллельных цепочек.

Допускается работа одного балансира выравнивания заряда SBB на 2-3 параллельных цепочки аккумуляторов – если разбаланс невелик и нет превышения по максимальному току выравнивания. Отдельная балансировка каждой цепочки дает лучшие результаты за счет селективности корректирующего воздействия .

При использовании одного нивелира на несколько цепочек необходимо применять схему соединения аккумуляторов с шинами постоянного тока и соединением средних точек (Схема 3).

При использовании отдельного нивелира в каждой цепочке можно применять обычную схему соединения аккумуляторов (Схема 4).

• Провести внешний осмотр аккумулятора. Верхняя поверхность аккумулятора и клеммные соединения должны быть чистыми и сухими, не содержать загрязнений и коррозии.
• Если на верхней поверхности / наливных аккумуляторов есть жидкость, это может означать избыток залитой жидкости. Если жидкость имеется на поверхности гелевого или AGM аккумулятора, это означает избыточный заряд аккумулятора, и его рабочие характеристики и срок службы снизятся.
• Проверьте аккумуляторные кабели и подключения. Замените поврежденные кабели. Затяните ослабленные подключения.

Очистка

• Убедитесь, что все защитные колпачки надежно закреплены на аккумуляторе.
• Очистите верхнюю поверхность аккумулятора, клеммы и соединения при помощи ветоши или щетки и раствора пищевой соды и воды. Запрещается допускать попадание чистящего раствора внутрь аккумулятора.
• Ополосните водой и высушите чистой ветошью.
• Нанесите тонкий слой технического вазелина или средства для защиты клемм, которое можно приобрести у местного поставщика аккумуляторов.
• Содержите территорию вокруг аккумуляторов в чистоте и сухости.

Долив воды (ТОЛЬКО аккумуляторы с жидким электролитом)

В гелевые или AGM-аккумуляторы запрещается доливать воду, поскольку они не теряют ее в ходе эксплуатации. В / наливные аккумуляторы воду требуется добавлять периодически. Частота долива зависит от характера использования аккумулятора и температуры эксплуатации. Новые аккумуляторы следует проверять каждые несколько недель , чтобы определить частоту долива воды в конкретной сфере применения. Аккумуляторам обычно требуется более частый долив по мере их старения.

• Полностью зарядить аккумулятор перед доливом воды. Добавлять воду в разряженные или частично заряженные аккумуляторы можно только в том случае, если видны пластины. В этом случае долейте ровно столько воды, сколько требуется, чтобы закрыть пластины, а затем зарядите аккумулятор и продолжите процесс долива воды, описанный ниже.
• Снимите защитные колпачки и переверните их, чтобы грязь не попала на внутреннюю поверхность. Проверьте уровень электролита.
• Если уровень электролита значительно выше пластин, то воду доливать не обязательно.
• Если уровень электролита едва закрывает пластины, долейте дистиллированную или деионизированную воду до уровня на 3 мм ниже вентиляционной скважины.
• После долива воды установите защитные колпачки назад на аккумулятор.
• Воду из-под крана можно использовать в том случае, если уровень ее загрязнения находится в допустимых пределах.

Заряд и уравнительный заряд

Заряд

Правильный заряд чрезвычайно важен для максимально эффективной эксплуатации аккумулятора. Как недостаточный, так и избыточный заряд аккумулятора может существенно сократить срок его службы. Для правильного заряда смотрите инструкции, прилагающиеся к оборудованию. Большинство зарядных устройств -автоматические и заранее запрограммированные. В некоторых зарядных устройствах пользователь может устанавливать значения напряжения и силы тока. Смотрите рекомендации по заряду в Таблице.

• Удостоверьтесь в том, что зарядное устройство установлено на нужную программу для аккумуляторов с жидким электролитом, гелевых или AGM-аккумуляторов, в зависимости от вида используемого аккумулятора.
• После каждого использования аккумулятор должен быть полностью заряжен.
• Свинцово-кислотные аккумуляторы (с жидким электролитом, гелевые и AGM) не обладают эффектом запоминания, а потому им не требуется полной разрядки перед повторной зарядкой.
• Проводить заряд следует только в хорошо проветриваемых помещениях.
• Перед началом заряда проверьте уровень электролита, чтобы убедиться, что пластины закрыты водой (только для аккумуляторов с жидким электролитом).
• Перед началом заряда удостоверьтесь, что все защитные колпачки надежно закреплены на аккумуляторе.
• Аккумуляторы с жидким электролитом будут выделять газ (пузырьки) перед окончанием процесса зарядки, что обеспечит правильное смешивание электролита.
• Запрещается заряжать замерзший аккумулятор.
• Необходимо избегать проведения заряда при температуре свыше 49°C.

Схема 4

Схема 4 и 5

Уравнительный заряд (ТОЛЬКО для аккумуляторов с жидким электролитом)

Уравнительный заряд представляет собой избыточный заряд аккумулятора, выполняемый на аккумуляторах с жидким электролитом после их полного заряда. Компания Trojan рекомендует проводить уравнительный заряд только в том случае, если у аккумуляторов низкая удельная плотность, менее 1.250, или удельная плотность колеблется в широком диапазоне, 0.030, после полного заряда аккумулятора. Не следует проводить уравнительный заряд GEL или AGM аккумуляторов.

• Необходимо удостовериться, что аккумулятор является аккумулятором с жидким электролитом.
• Перед началом заряда проверить уровень электролита и убедиться, что пластины закрыты водой.
• Удостовериться, что все защитные колпачки плотно закреплены на аккумуляторе.
• Установить зарядное устройство в режим уравнительного заряда.
• В процессе уравнительного заряда в аккумуляторах будет выделяться газ (будут всплывать пузырьки).
• Измеряйте удельную плотность каждый час. Прекратить уравнительный заряд следует тогда, когда удельная плотность прекратит расти.

ВНИМАНИЕ! Запрещается проводить уравнительный заряд на гелевых или AGM-аккумуляторах.

Сихуа Уэн (Sihua Wen), инженер по применению аккумуляторных батарей, Texas Instruments

Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда - это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments - BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, - необходимы для реализации этого метода.

ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?

Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене - батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.

МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ

Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей - активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить - использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.

ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ

Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.

Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 - измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению

Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей

Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Q NEED , необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между Q NEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).

Рис. 4.

АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.

Рис. 5.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:

• по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
• по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
• по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)

Рис. 6.

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.

ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ

Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы R Ext1 и R Ext2 , включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор R Bal .

Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов

Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор R Ext2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток V DS , которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение V DS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы - ограничение максимального значения резистора R Ext или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.

Метод быстрой балансировки - новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели - балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Корректная балансировка напряжения батарей - один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.

При работе аккумуляторных стеков в буферном или циклическом режиме, а также при расширении подобных систем, возможно неравномерное распределение отдачи электрической энергии, что приводит к более быстрому устареванию АКБ. Как правильно проводить выравнивание заряда аккумулятора читайте в этой статье.

Периодическое выравнивание электрического заряда аккумуляторов в системе – это необходимый процесс, обеспечивающий правильную работу оборудования. Если несколько АКБ связаны в цепь, со временем может произойти разбалансировка – заметное изменение напряжения отдельных батарей. Чтобы этого избежать, рекомендуется раз в полгода осуществлять ребалансировку. Обычно ее проводят, используя повышенное напряжение, на протяжении двадцати четырех часов. Узнать конкретное напряжение можно из спецификации аккумулятора на нашем сайте, посмотреть данные на сайте производителя или уточнить у продавца.

Многоуровневые системы – краткая характеристика и назначение

Системы, использующие несколько аккумуляторных батарей, широко используются в быту и на производстве. Про схемы подлючения аккумуляторов в многоуровневые системы . Здесь же нужно сказать, что они весьма полезны для длительного обеспечения бесперебойным электропитанием котлов отопления, а также для создания «зеленых» систем энергетики, работающих от солнечных батарей и ветро генераторов. Ведь, кроме того, что нужно произвести электричество, его надо еще где-то накапливать и хранить. Именно для этих целей необходимы системы из нескольких аккумуляторных батарей, при помощи которых из 12-вольтовых АКБ можно собрать систему любой емкости и вольтажа.

Как уже было сказано выше, при длительной работе возникают проблемы, связанные с разбалансировкой АКБ, далее мы поговорим об этом подробнее.

Для того чтобы избежать разбалансированности заряда в новых батареях рекомендуется покупать сразу все батареи одного производителя, одинаковой серии, типа и емкости с одинаковой датой выпуска. При нарушении данных правил или расширении системы - выравнивание заряда аккумуляторов нужно производить обязательно!

Если в процессе службы системы бесперебойного питания возникает необходимость расширения по емкости, то самым идеальным вариантом будет подобрать дополнительную батарею исходя из вышеперечисленных требований не более года в разнице по дате выпуска.

Дело в том, что спустя год после работы такой системы в свинцово-кислотных аккумуляторах глубокого разряда могут происходить необратимые процессы и нормальная совместная их работа не гарантирована. Т.е. новая батарея может быть выведена из строя более старыми. При существенном различии в дате производства год и более, послепродажная гарантия производителя на новую батарею может быть потеряна!

Разбалансировка – что это такое и как с ней бороться

Время от времени, во всех системах, использующих АКБ с последовательным, параллельным или смешанным типом подключения возникает разбалансировка заряда. Из-за нее происходит ухудшение работоспособности аккумуляторов, уменьшение емкости и выход из строя отдельных батарей раньше паспортного срока.

Проблема в том, что все АКБ немного отличаются друг от друга, даже если это батареи одной марки. При создании блока АКБ, эти отличия могут усиливаться. Предположим, в системе есть батарея с сопротивлением, немного большим, чем у соседних. Естественно, при зарядке, напряжение на ней будет несколько выше, может даже сработать защита от повышенного напряжения. Во время отдачи электроэнергии напряжение этой батареи будет самым меньшим, как и ее емкость. Все это приводит к тому, что ресурс всей системы будет использоваться не полностью. В результате – деградация и усиление дефекта с течением времени. Слабое звено будет ухудшать производительность всего блока АКБ. Можно, конечно, купить другую батарею, но это не панацея. Что делать если аккумуляторы относительно новые? Да и стоимость не копеечная.

Есть два способа выравнивания заряда аккумуляторов:

1. Пассивный;
2. Активный.

При первом способе используют байпасные цепи, которые распыляют энергию. Эти устройства могут быть вмонтированы в систему ИБП, или находиться в отдельной микросхеме. Чаще всего, этот способ используют в бюджетном оборудовании. Почти вся излишняя электроэнергия от АКБ с превосходящим зарядом преобразуется и рассеивается – в этом заключается основное ограничение пассивного способа. Он уменьшает срок функционирования системы без зарядки.

При активном способе балансировки, для передачи электроэнергии от АКБ с более высоким зарядом к слабым батареям, применяют индуктивность, поэтому, потери не высоки. Благодаря этому, активный способ гораздо более эффективен, нежели пассивный. Но за качество придется все-таки доплачивать, активное оборудование стоит дороже.

Выравнивание заряда АКБ – практика

Система, выравнивающая заряд аккумуляторной батареи необходима для технического обслуживания АКБ с последовательным типом соединения, при зарядке их от единого источника. Аккумуляторы, с последовательным соединением формируют единую цепь или линейку. Их может быть несколько, зависимо от характера системы. Оборудование способно регулировать токи на отдельных батареях в нескольких цепях одновременно.

Система состоит из контроллера, который отвечает за регулирование заряда. Он подключается к общему источнику энергии цепи. Также имеются отдельные датчики, устанавливаемые на аккумуляторе. Это оборудование коммутируется при помощи специального шлейфа.

Батареи в одной цепи должны быть равной емкости, иначе оборудование не справится с задачей балансировки заряда на аккумуляторах. Чем больше разница в емкостных характеристиках, тем больше циклов зарядки и разрядки потребуется для выравнивания заряда аккумуляторных батарей.

Принцип работы балансировщика заряда

Контроллер анализирует напряжение и запускается, если оно увеличивается. Система высчитывает средний показатель и, по специальным шлейфам, берет информацию с каждого отдельного аккумулятора. Если напряжение на АКБ превышает среднее, то контроллер подает команду на компенсацию нагрузки. Если ниже – нагрузка снимается. Эти действия привязаны к циклам зарядки-разрядки, и, с каждым новым кругом, напряжение приводится к средним показателям.

Если показатель общего электрического напряжения не увеличивается на протяжении трех рабочих часов, то контроллер сигнализирует о том, что работа завершена и подает команду на отключение датчиков на АКБ. Но, анализ электрического напряжения не прекращается.

На всех батареях ставят датчик-контроллер напряжения. Лучше всего, это сделать рядом с контактами, потом подключить плюс к плюсу, минус – к минусу. При правильном монтаже датчик мигает. Если сигнала нет – или неправильно подключили, или аккумулятор не исправен. По COM-порту контроллер может выводить информацию по каждой батарее на персональный компьютер.

Кроме того, контроллер сигнализирует при падении, или повышении напряжения на аккумуляторах, ниже 10,5 Вольт и выше 15 Вольт.

Выводы

Выравнивание зарядов аккумуляторов – необходимая техническая мера. Она повышает безопасность использования АКБ и увеличивает срок их службы. Современные контроллеры балансировки АКБ тестируют техническое состояние каждой батареи и дают возможность использовать систему, минимизировав потери. В целом, это полезно из соображений безопасности и гарантирует надежную и бесперебойную работу оборудования.