Зарядка аккумуляторов глубокого разряда

Разработка электрической системы на катере или яхте состоит из нескольких этапов. Необходимо выбрать правильный тип аккумуляторов, рассчитать их емкость и определить мощность генератора для зарядки аккумуляторной батареи. Однако ни один из этих шагов не принесет успеха, если напряжение генератора не будет соответствовать требованиям бортовой электрической системы.

Аналогия с баком для воды

Понять процессы заряда и разряда аккумулятора помогает сравнение его пластин с баком для воды.

Представим закрытый бак внутри которого от верхней крышки до дна установлено несколько сплошных перегородок. В нижней части каждой перегородки расположена полупроницаемая мембрана. К резервуару подсоединен насос, который закачивает в него воду.

Постепенно вода заполняет первую секцию бака. Через некоторое время давление воздуха в отсеке повышается, первая мембрана срабатывает и пропускает воду во второе отделение. Вода заполняет второй отсек, но давление в нем остается меньше, чем в первом. Если насос продолжает работу, то давление воды в первом и втором отсеках возрастает до тех пор, пока не откроется второй клапан, и вода не попадет в третью секцию.

Зарядка аккумулятора напоминает заполнение бака водой. Зарядный ток в первую очередь поглощается поверхностью пластин. Напряжение в поверхностных зонах возрастает и возникающая между наружными и внутренними областями разность потенциалов заставляет ток течь вглубь пластины.

Переключатель давления

Предположим, что в насосе, качающем воду в бак, установлено реле, которое выключает насос, если давлении в баке достигает 14 атм.  Когда давление в первом отсеке бака повысится до этого уровня, насос выключится, но из-за разности давлений между различными частями бака вода продолжит просачиваться через мембраны в отдаленные секции резервуара. Из-за этого через некоторое время давление в первом отсеке понизится и регулятор включит насос, который вновь поднимет давление до заданного уровня. Этот процесс продолжается до тех пор, пока давление во всем баке не выровняется и не достигнет 14 атмосфер. После этого насос выключится надолго. Но он включится снова, когда из бака выйдет часть воды и давление в резервуаре упадет.

Генераторы и зарядные устройства работают по похожему принципу благодаря регуляторам напряжения. Если регулятор выставлен на 14 вольт, генератор отключится, когда напряжение на поверхности аккумуляторных пластин повысится до этого значения. Но даже после того, как генератор отключился, разность напряжений между поверхностью пластин и их внутренними областями заставляет зарядный ток проникать внутрь пластин. Напряжение на поверхности пластины снижается и регулятор снова включает генератор, который повышает напряжение до установленного значения.  Если времени достаточно, процесс продолжается до тех пор, пока аккумулятор полностью не зарядится и напряжение по всей толщине пластины не достигнет 14 вольт.  После этого регулятор отключает устройство зарядки.  Как только подключенное оборудование разрядит аккумулятор и поверхностное напряжение на пластинах понизится регулятор включит генератор вновь.

Допустимый ток зарядки

Самая высокая разность давлений между отсеками в баке возникает, когда в нем заполнена только первая секция. В этот момент вода течет через мембраны быстрее всего. По мере того, как давление во внутренних областях бака растет, разность давлений между отделениями снижается, и скорость заполнения отсеков уменьшается.

Похожим образом выглядит процесс зарядки аккумулятора. У разряженной батареи внутри пластин низкое напряжение.  Сразу после включения генератор повышает напряжение на поверхности пластин, разность потенциалов по толщине пластины возрастает до максимального значения и скорость приема заряда внутренними областями пластины также становится максимальной. Внутренние области пластин поглощают заряд, разница напряжений уменьшается и скорость зарядки замедляется.

В примере с баком воды, первый отсек резервуара похож на участок аккумуляторной пластины, непосредственно соприкасающийся с электролитом. Внутренние секции бака – на внутренним части аккумуляторных пластин.

В стартовом аккумуляторе много тонких пластин, общая площадью поверхности которых велика. Такой аккумулятор похож на бак в котором первое отделение занимает большую часть объема. Стартовый аккумулятор допускает относительно высокий зарядный ток и заряжается очень быстро. В аккумуляторе глубокого разряда с жидким электролитом пластин меньше, но они толще. Аналог этого аккумулятора – бак с маленьким первым отделением и большими внутренними отсеками. Во время зарядки первая секция бака заполняется быстро (поверхности пластин заряжаются), после этого скорость приема заряда замедляется. Требуется время, чтобы заряд проник во внутренние области пластин. Еще больше времени необходимо, чтобы разряженный тяговый аккумулятор зарядить на 100%.

Неравномерность зарядки аккумулятора иллюстрирует следующий факт. 90% заряда можно восстановить в течении 60% времени зарядки. На десять оставшихся процентов емкости расходуется 40% времени.

Сульфатация

Вода, выкачиваемая из резервуара, в сначала выходит из его первого отсека. Если бак сразу наполнить вновь, уровень воды во внутренних секциях почти не изменится и время заполнения окажется не большим. Но если оставить бак с полупустым первым отсеком на долго, вода из внутренних отделений перетечет в первую секцию и, чтобы заполнить бак целиком, понадобится больше времени.

При разряде аккумулятора ток в первую очередь поступает с поверхности пластин. Если аккумулятор зарядить сразу, внутренние области пластин не успеют разрядится, и перезарядка не займет много времени. Но если аккумулятор оставить в частично разряженном состоянии, напряжение по толщине пластин выровняется и внутренние области окажутся разряженными. Время зарядки возрастет, но если ее не выполнить полностью пластины аккумулятора станут уязвимы для сульфатации.

Ток зарядки

Если к небольшому баку подключить мощный насос, он быстро заполнит первое отделение резервуара. Как только это произойдет, бак перестанет наполнятся с прежней скоростью и насос уменьшит расход перекачиваемой воды. Если к этому моменту вода не успела распространится по внутренним отделениям, то возникнет ситуация, когда давление, измеренное в первом отделении полупустого бака окажется равным давлению полностью заполненного резервуара.

Но если к большому баку подсоединить насос с маленьким расходом, скорость, с которой вода проникает во внутренние отсеки окажется примерно равной расходу насоса. Значит в момент, когда давление в баке достигнет заданного значения насос заполнит бак полностью.

Аналогия сохраняется, если мощный генератор подключен к аккумуляторной батарее не большой емкости. Такой генератор быстро поднимет поверхностное напряжение на пластинах аккумулятора, регулятор напряжения уменьшит выходной ток, и большая часть мощности генератора окажется не востребованной.

К тому моменту, когда ток зарядки начнет уменьшаться внутренние области пластин могут быть по-прежнему разряженными, хотя напряжение аккумулятора будет соответствовать напряжению полностью заряженной батареи.

В этой ситуации предпочтительнее генератор меньшей мощности. Он полнее зарядит аккумуляторную батарею, поскольку скорость распространения заряда будет соответствовать выходу генератора и регулятор напряжения не уменьшит ток до тех пор, пока аккумулятор не зарядится полностью.

Насыщение и абсорбция

Закачивать воду в пустой бак можно с любой скоростью. Единственное ограничение в этом случае – расход насоса. Однако после того как первое отделение резервуара заполнилось и давление в нем достигло установленного значения, переключатель многократно включает и выключает насос, чтобы поддержать это давление на нужном уровне. время наполнения бака в этот момент зависит от скорости перетекания воды во внутренние отделения резервуара.

Чем больше наполняются водой дальние отсеки бака, тем больше снижается скорость протекания воды через мембраны. Из-за этого насос находится в выключенном состоянии все дольше и дольше, а расход перекачиваемой им воды постоянно уменьшается.

Настройки регулятора

Автомобильный аккумулятор с тонкими пластинами редко разряжается больше, чем на несколько процентов от своей емкости.  После запуска двигателя заряд аккумулятора сразу же восстанавливается и внутренние области пластин не успевают разрядится. Но двигатель и генератор работают намного дольше, чем требуется для зарядки, и, чтобы не повредить аккумулятор напряжение регулятора устанавливают относительно низким.

Аккумуляторы глубокого разряда с толстыми пластинами разряжаются в течении нескольких часов или дней. За это время напряжение по толщине пластин выравниваться, а ток поступает как с поверхности, так и с внутренних областей пластин. Однако в этом случае двигатель и генератор работают намного меньше, чем требуется для восстановления полного заряда тягового аккумулятора.

Если регулятор напряжения установлен на 14,0 вольт, рост напряжения на поверхности аккумуляторных пластин приведет к тому, что выходной ток генератора снизится сразу после того, как аккумулятор зарядится на 50%. Такое поведение регулятора не защищает аккумулятор, но значительно увеличивает продолжительность зарядки.

Поскольку правильно подобранная батарея аккумуляторов глубокого разряда эксплуатируется в интервале от 50% до 80% емкости, регулятор напряжения автомобильного типа сокращает ток зарядки в самой важной области работы аккумуляторной батареи. И если для зарядки аккумуляторов используется двигатель, работающий на низких оборотах, он никогда не зарядит аккумуляторы глубокого разряда полностью, даже если непрерывно проработает много часов.  В результате многие аккумуляторы регулярно недозаряжаются, страдают от сульфатации и раньше времени выходят из строя.

Время зарядки можно сократить, подняв напряжение регулятора. Однако если повышенное напряжение безопасно при уровне заряда в 50 — 80% от емкости, аккумуляторы перезарядятся во время продолжительной работы двигателя. Перезарядка приведет к потере электролита в жидко-кислотных аккумуляторах, высыханию и разрушение гелевых и AGM ячеек. Решетки положительных пластин разрушатся во всех типах аккумуляторов.

Таким образом возникает следующая проблема. Тяговые аккумуляторы разряжаются до 50% и больше, но время их зарядки часто ограничено. Значит нужны устройства быстрой зарядки в которых будет более высокое напряжение регулятора чем в автомобилях. В противном случае аккумуляторы будут недорзаряжаться, разовьется сульфатация и емкость аккумулятора уменьшится. Однако при высоком напряжении регулятора и длительной работе двигателя наступит перезарядка, газообразование и повреждение пластин.