Как заряжать автомобильные аккумуляторные батареи, способы заряда

В процессе эксплуатации аккумуляторных батарей периодически приходится осуществлять их полный заряд. Качество проведения зарядов в существенной степени определяет срок службы аккумуляторов, на который, в первую очередь, влияют следующие факторы:

  • значительный и систематический перезаряд аккумуляторов;
  • систематический недозаряд;
  • чрезмерное и длительное газовыделение;
  • чрезмерно высокая температура.

Несмотря на всю важность правильного проведения зарядов, этот вопрос в литературе по обслуживанию и эксплуатации автомобилей практически не освещен. Даже в инструкции по эксплуатации свинцовых стартерных аккумуляторных батарей приводится только один режим. В то же время существует несколько способов заряда свинцовых аккумуляторов, которые могут быть использованы их владельцами.

Одноступенчатый заряд при постоянном значении тока

Одноступенчатый заряд при постоянном значении тока рассматривается первым, поскольку именно он приводится в инструкции по эксплуатации аккумуляторных батарей.

Об основных правилах проведения этого заряда уже говорилось в предыдущем разделе. В начале такого заряда наблюдается резкий подъем напряжения на аккумуляторах, затем его постепенный рост и, наконец, стабилизация в пределах 2,5-2,7 В на одном аккумуляторе. Плотность электролита увеличивается в первое время медленно, затем интенсивность ее роста повышается и к концу заряда значение плотности стабилизируется.

Основными недостатками одноступенчатого заряда при постоянном значении тока, приводящими к уменьшению срока службы свинцовых аккумуляторов, являются: интенсивное увеличение температуры электролита; повышенное и длительное газовыделение; возможность значительного перезаряда.

Заряд при постоянном напряжении

Режим заряда при постоянном напряжении несколько проще предыдущего и находит достаточно широкое применение (например, заряд от бортовой сети автомобиля).

В этом случае аккумуляторная батарея подключается к зарядному устройству, напряжение которого все время остается на одном уровне. Обычно его значение составляет 2,4-2,5 В на один аккумулятор [7,2-7,5 В (дл ^6-вольтовой батарей) или 14,4-15,0 В (для 12-вольто в>: батарей).

В момент включения в этом режиме происходит значительный бросок тока из-за разности напряжения источника и электродвижущей силы батареи, а также низкого внутреннего сопротивления последней . Ток при этом может во много раз превышать нормальные значения. Бросок тока не смотря на свою кратковременность, может привести к отказу зарядного устройства, если в нем не предусмотрены специальные средства защиты.

В дальнейшем, по мере изменения состояния батареи, ток уменьшается и через несколько часов может достигнуть таких значений, что дальнейшее проведение заряда окажется весьма затруднительным. К этому моменту батарея обычно получает уже до 95% отданной емкости и заряд прекращается.

Таким образом, описанный способ заряда имеет два существенных недостатка:

  • бросок тока в момент включения батареи на заряд;
  • трудность практического доведения заряда до конца, что вынуждает использовать недозаряженную батарею.

Главное преимущество способа - малое газовыделение.

Двухступенчатый смешанный заряд

Двухступенчатый смешанный заряд позволяет в значительной степени сохранять основное преимущество предыдущего режима (малое газовыделение) и избавиться от броска тока в момент включения.

В этом режиме аккумуляторная батарея включается сначала на заряд током, равным 0,1 С20 (1 ступень), т. е. так же, как при постоянном значении тока. Заряд на этой ступени продолжается до тех пор, пока напряжение на большинстве аккумуляторов батареи не достигнет 2,4 В на один аккумулятор. После чего переходят в режим поддержания постоянства напряжения на достигнутом уровне. При этом ток начинает падать и возможен недозаряд батареи, как во втором из рассмотренных режимов.

Трехступенчтый смешанный заряд

Этот режим отличается от предыдущего тем, что после снижения тока на второй ступени до некоторого значения (например, 0,0125-0,025 С20) переходят на третью ступень, во время которой поддерживаются постоянным указанное значение тока. Третью ступень проводят до окончания зарядки по постоянству напряжения и плотности электролита в течение 2 часов.

Такой режим обеспечивает нормальную зараженность аккумуляторной батареи, но несколько увеличивает газовыделение в конце заряда.

Многоступенчатый заряд при постоянном значении тока

Этот режим заряда может включать в себя две и более ступеней. В случае двухступенчатого заряда первая ступень проводится при постоянном значении тока, равным 0,1 Сго, и продолжается до тех пор, пока напряжение на большинстве аккумуляторов не достигнет переходного значения 2,4 В. После этого ток уменьшают в два раза и заряд продолжают при новом постоянном значении, равном 0,05 С20. Момент окончания определяют по постоянству напряжения и плотности в течение 2 часов.

Сточки зрения уменьшения газовыделения, температуры и увеличения срока службы более предпочтителен трехступенчатый режим. Он отличается тем, что на второй ступени заряд продолжается также до переходного напряжения, затем ток уменьшают еще в два раза, (т. е. до 0,025 С20). После этого продолжают до окончания , поддерживая постоянным значение тока третьей ступени.

Наилучший результат дает четырехступенчатый режим. Он отличается от предыдущего тем, что и на третьей ступени заряд проводится до достижения переходного напряжения. Затем ток снова уменьшают в два раза (до 0,0125 С20) и заряд продолжают до момента достижения двухчасового постоянства напряжения и плотности электролита.

Два замечания по поводу переходного напряжения:

  1. Значение переходного напряжения установлено из расчета 2,4 В на один аккумулятор. В том случае, если Вы имеете возможность контролировать напряжение только на всей батарее, то придется ориентироваться на напряжение 7,2 В (для 6-вольтовых батарей) или 14,4 В (для 12-вольтовых).В случае появления бурного газовыделения из 1-2 аккумуляторов, необходимо перейти не следующую ступень заряда, даже если общее напряжение батареи и не достигло указанных значений.
  2. Напряжение аккумуляторов „преклонного возраста" в некоторых случаях не может достичь переходного значений на промежуточных ступенях многоступенчатых зарядов. В этой ситуации ограничьте продолжительность промежуточных ступеней двумя часами и переходите на другую ступень заряда независимо от значения напряжения.

Ускоренный заряд

Любой ускоренный заряд связан со значительным повышением зарядного тока. Других способов сегодня нет. Естественно, что это не способствует увеличению срока службы аккумуляторных батарей. Однако, на практике довольно часто возникают ситуации, когда батарея разряжена, но крайне необходима, а времени на восстановление ее емкости очень мало.

В этом случае аккумуляторы обычно ставят на заряд тем током, который способен обеспечить имеющийся в наличие выпрямитель и „гонят" заряд до начала обильного газовыделения, не глядя на температуру электролита. При этом считают, что полностью восстановили емкость батареи.

На самом деле заряд очень большим током постоянного значения просто физически не может полностью зарядить аккумуляторы. Кроме того, такой заряд, особенно, если температура электролита превышала определенные нормы, заметно сократит срок службы батареи.

Однако существуют способы, позволяющие ускорить процесс заряда без особого ущерба для аккумуляторов.

Первый из них подчиняется правилу, известному как „закон ампер-часов". Это правило заключается в следующем: ток заряда в амперах должен быть всегда меньше, чем количество ампер-часов, которое недостает аккумуляторной батарее до получения 100%-ного номинального заряда. В принципе, зарядный ток в данном случае должен изменяться по экспотенциальному закону, выражаемому формулой I = Q^-t, где I - зарядный ток в амперах; t- время в часах; Q - количество ампер-часов, недостающих батарее перед началом заряда, т. е. для t = 0.

Сложность расчетов и проведения заряда по такому закону с непрерывным уменьшением тока совершенно очевидна. Поэтому здесь приводится (табл. 2) ориентировочный график зарядного режима со ступенчатым изменением тока через каждые 5 минут. График составлен исходя из предположения, что аккумуляторная батарея была полностью заряжена, а затем, при разряде она отдала емкость, равную 60 А * ч, т. е. Q = 60 А * ч.

Таблица 2. Ориентировочный график ускоренного заряда.

Время заряда, мин Емкость, А- ч, недостающая до 100%-го номинального заряда Ток заряда, А
0 60 54
5 55,5 49,9
10 51,3 46,2
15 47,4 42,7
20 43,8 39,4
25 40,5 36,4
30 37,5 33,7
35 34,7 31,2
40 32,1 28,9
45 29,7 26,7
50 27,5 24,7
55 25,4 22,9
60 23,5 21,1
65 21,7 19,5
70 20,1 18,1
75 18,6 16,7
80 17,2 15,5
85 15,9 14,3
90 14,7 13,2
95 13,6 12,2
100 12,6 11,3
105 11,7 10,5
110 10,8 9,7
115 10,0 9,0
120 9,2 8,3
125 8,5 7,6
130 7,9 7,1
135 7,3 6,6
140 6,7 6,0

Как следует из таблицы, Вы за 2 ч 20 мин в значительной степени восстановили емкость аккумуляторной батареи. Далее заряд может быть продолжен в одном из нормальных режимов. В крайнем случае можно установить на транспортное средство частично заряженную батарею, дозарядив ее при первой же возможности.

Аналогичный график может быть построен для любого значения емкости. Для этого Вы готовите таблицу по такой же форме. В первой строке второго столбца указывается количество ампер-часов, недостающих до 100%-ного заряда (емкость, отданная батареей в ампер-часах, если перед разрядом она была полностью заряжена) - Qi. В третьем столбце записывается значение тока И = 0,9 Qi.

Во второй строке значения Q2 = Qi - І1 * 1/12; І2 = 0,9Q2. Затем вычислите Q3= Q2- І2 * 1/12; І3 = 0,9*Q2(третьястрока).

В следующей строке Q4 = Q3-І3* 1/12; І4 = 0,9Q4 и так далее до тех пор, пока значение тока не уменьшится до соответствующего нормальному заряду.

При использовании графика заряд проводите следующим образом: начинаете заряд током I1, через 5 мин уменьшаете ток до значения І2. еще через 5 мин - до значения І3 и так далее.

Существует еще один способ ускоренного заряда, при котором начальный ток устанавливают так же, как и в первом, но затем ток уменьшают всякий раз, когда напряжение достигает 2,4 В на аккумулятор. По своей сути это многоступенчатый режим заряда при постоянном токе с большим количеством ступеней, но более трудоемкий за счет необходимости практически постоянного контроля напряжения.

На практике серьезной проблемой при проведении ускоренных зарядов является определение емкости (количества ампер-часов), недостающей батарее до 100%-ного заряда.

С достаточной для практики точностью эту величину можно оценить по результатам измерения плотности электролита, которая связана с емкостью зависимостью, достаточно близкой к прямолинейной. Ориентировочно можно считать, что уменьшение значения плотности на 0,008 г/см3 соответствует отдаче 5% емкости.

Следовательно, если Вам известна плотность электролита батареи в состоянии полной заряженности Р3, Вы всегда можете оценить количество ампер-часов, недостающих до 100%-ного заряда Q, измерив плотность в тот момент, когда принято решение провести ускоренный заряд Рх:

Q = 0,05 С20 (P3 - Рх)/0,008, А*ч

Следует заметить, что приведенное соотношение дает большую погрешность, так как не учитывает различие между аккумуляторными батареями и изменение их характеристик

в процессе старения. Более точные результаты Вы сможете получить, если хотя бы один раз в год будете разряжать свою батарею из полностью заряженного состояния до конечного напряжения постоянным током, измеряя при этом степень разряженности и соответствующую ей плотность электролита.

Разряды можно проводить током 20-часового (I = 0,05 С20) или 10-часового (I = 0,09 С20) режима измеряя плотность электролита и напряжение каждые 1-2 часа. Для тока 0,05 С20 конечным является напряжение 1,75 В на самом быстро разряжающемся аккумуляторе, а для тока 0,09 С20 - 1,7 В. В том случае, если Вы имеете возможность измерять только полное напряжение батареи, разряды следует прекращать при напряжении 5,4 В (для 6-вольтовой батарей) и 10,8 В (для 12-вольтовыхбатарей).

Асимметричный переменный ток

Об использовании асимметричного переменного тока в процессе эксплуатации, обслуживания и формовки свинцовых аккумуляторов говорят уже очень давно и достаточно много. Можно назвать десятки статей и книг, которые полностью или частично посвящены этому вопросу. При этом мнения авторов существенно отличаются друг от друга. Здесь можно выделить две основные точки зрения:

  • применение асимметричного переменного тока дает положительный эффект;
  • применение асимметричного переменного тока практически нейтрально.

Сведения об отрицательном воздействии асимметричного переменного тока также встречаются в литературе, но настолько редко, что нет смысла говорить о них здесь.

Следует отметить, что сторонников применения асимметричного переменного тока значительно больше, чем противников. К числу сторонников относит себя и автор, несколько лет занимавшийся изучением влияния различных форм тока на параметры свинцовых аккумуляторов.

На практике под асимметричным переменным током понимают ток, имеющий неравные амплитуды прямого Іпр и обратного импульсов Іобр, а также их продолжительность (рис. 1.6).

При использовании асимметричного тока происходит чередование заряда батареи током с амплитудой Іпр в течение времени tпр с небольшими разрядами током с амплитудой Іобр в течение времени to6. Такую форму тока можно получить с помощью простейшей схемы, изображенной на рис. 2.

Симметричный (а) и несимметричный (6) переменные токи

Рис. 1. Симметричный (а) и несимметричный (6) переменные токи.

Прямой ток Іпр проходит по цепочке R2- VD1, а обратный Іоб - через переменный резистор R1. При этом сопротивление R1 должно быть в 10-25 раз больше, чем R2. Выбор элементов схемы определяется прежде всего параметрами понижающего трансформатора Т1.

Заметим только, что соотношение Іпр/Іобр лучше всего держать в пределах 10/1 - 25/1.

Отношение tnp/to6p во избежании усложнения схемы задается частотой тока сети. Положительный эффект от применения асимметричного переменного тока, выражаясь научным языком, объясняется снижением диффузионных ограничений и электродной (концентрационной) поляризации. Если же говорить проще, то проведение небольшого разряда создает более комфортные условия для прохождения последующего импульса заряда и перехода сульфата свинца в исходные активные материалы, т. е. „набора" аккумуляторами емкости.

Схема получения асимметричного зарядного переменного тока

Рис. 2. Схема получения асимметричного зарядного переменного тока.

Частным случаем асимметричного переменного тока можно назвать любой прерывистый ток, когда, если говорить об аккумуляторах, зарядные импульсы чередуются с паузами, во время которых ток вообще отсутствует. В данном случае Іобр = 0, a tо6p = tпаузы * tпр.

В реальных условиях чаще всего встречается один из вариантов прерывистого тока, полученный путем однополупериодного выпрямления тока обычной электрической сети (рис. 3, а). При работе простейшего устройства однополупериодного выпрямления (3, б)на обычную нагрузку (резистор, электролампа и т. д.) tпр = tп.

При работе устройства на аккумуляторную батарею, которая имеет свое, встречно направленное напряжение, зарядный ток проходит только в тот период времени, когда напряжение на выходе зарядного устройства превышает напряжение батареи, и этот период существенно меньше, чем tnp на рис. 3,6.

Таким образом, в случае заряда аккумуляторной батареи током, полученным в результате однополупериодного выпрямления, tп > tпр. (Для схемы рис. 2 to6p > tnp).

Схема (а) и ток (б) однополупериодного выпрямления

Рис. 3. Схема (а) и ток (б) однополупериодного выпрямления.

В большинстве серийно выпускаемых выпрямителей применяется двухполупериодное выпрямление (рис. 4). Для этой схемы характерно отсутствие при заряде аккумуляторов как периодов разряда, таки пауз. В некоторых случаях для приближения формы зарядного тока к постоянному используют различные фильтрующие схемы, существенно усложняющие устройство.

С точки зрения автора такое усложнение выпрямительного устройства совершенно не оправдано.

Схема (а) и ток (б) двухполупериодного выпрямления

Рис. 4. Схема (а) и ток (б) двухполупериодного выпрямления.

В результате сравнения влияния различных форм тока на параметры свинцовых аккумуляторов автором были сделаны следующие выводы:

  1. применение асимметричного переменного тока однополупериодного выпрямления позволяет, по сравнению с токами двухполупериодного выпрямления и постоянным (получаемым, например, от аккумуляторной батареи большей емкости и напряжения, чем заряжаемая батарея), заметно снизить газовыделение, несколько увеличить емкость аккумуляторов и срок их службы;
  2. асимметричный переменный ток дает чуть лучшие результаты, чем ток однополупериодного выпрямления, однако, для автолюбительской практики их можно считать одинаковыми, т. е. наличие периодов небольшого разряда и пауз создает примерно равные комфортные условия для заряда аккумуляторов;
  3. учитывая относительную простоту схемы получения тока однополупериодного выпрямления, автолюбителям и мотоциклистам, всем владельцам свинцовых аккумуляторных батарей автора рекомендует использовать именно эту форму тока.

Наличие пауз (естественно, когда это возможно) оказывает положительное влияние и в процессе разряда свинцовых аккумуляторов. Так, если разряд ведется с периодическими, короткими, достаточно часто повторяющимися паузами, то от аккумуляторной батареи удается получить емкость на 10-15% больше, чем при непрерывном разряде.

Газовыделение в аккумуляторах

Газовыделение из свинцовых аккумуляторов начинается с момента приведения их в действие (заливка электролитом) и продолжается до самого конца их существования, вне зависимости от наличия тока. Наименьшую интенсивность газовыделения имеет у спокойно стоящих аккумуляторов, наибольшую - в конце заряда, когда практически весь ток расходуется на электролиз воды.

О вреде чрезмерного газовыделения уже было сказано, теперь немного о его опасности. Дело в том, что основными составляющими газовой смеси, выделяющейся из свинцовых аккумуляторов, являются водород и кислород.

Газовая смесь, выделяющаяся в конце заряда, содержит в своем составе 67% водорода, 33% кислорода, а это соответствует составу гремучего газа - две части водорода и одна часть кислорода. Гремучий газ, соприкасаясь с открытым пламенем, искрой или сильно нагретым предметом воспламеняется со взрывом и образует воду.

Однако, следует иметь ввиду, что наличие в воздухе уже 4% водорода делает его горючим, а при увеличении водорода до 6% смесь становится взрывоопасной. Наибольшей силы взрыв происходит при содержании в воздухе 28% водорода. Взрыв возникает при температуре в пределах от 530 до 840° С.

Отсюда основная рекомендация автолюбителю, имеющему дело с одной аккумуляторной батареей - не подносите открытый огонь к месту выхода газов из аккумуляторов, так как даже у спокойно стоящих аккумуляторов в подкрышечном пространстве над электролитом может образоваться взрывоопасная смесь, не говоря уже о процессе зарядки, когда шансов подорвать свой аккумулятор значительно больше.

Помещение, где происходит зарядка и даже хранение большого количества аккумуляторных батарей должно быть специально спроектировано и оснащено необходимой системой вентиляции.

Литература: В. Ю. Грачев - Как продлить срок службы аккумулятора.

0 553 Полезные знания и советы
аккумулятор автомобильный аккумулятор
cashback