Методы зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

Многие автовладельцы сталкивались с ситуацией, когда двигатель не запускается из-за разряженного аккумулятора. Это может произойти как со старыми батареями, так и с новыми. В некоторых случаях требуется замена аккумулятора, но чаще его можно восстановить и продолжить использовать. Важно знать, как правильно зарядить автомобильный аккумулятор.

В автомобилях обычно используются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые делятся на две основные категории по назначению. Первая – это аккумуляторы для циклического использования, которые часто заряжаются и разряжаются, работая в режиме циклов. Вторая категория – аккумуляторы, применяемые как резервные источники питания, которые функционируют в буферном режиме [1].

Для каждой из этих групп существуют разные методы зарядки. Циклические аккумуляторы заряжаются при постоянном напряжении или с постоянными значениями тока и напряжения. Для резервных батарей чаще применяется двухступенчатый заряд или компенсирующий режим, который поддерживает их в рабочем состоянии.

Методы заряда АКБ

Метод заряда при постоянных значениях тока и напряжения предполагает первоначальную установку тока на уровне 0,4∙С, с последующим контролем напряжения. К концу заряда при температуре 20...25°С напряжение на аккумуляторной батареии должно достичь 14,7 В. Время заряда варьируется от 6 до 12 часов, в зависимости от уровня разряда батареи [2]. Изменения тока и напряжения в процессе заряда приведены на рисунке 1.

График заряда аккумулятора при постоянных значениях напряжения и тока показывает, что напряжение в первые 8 часов заряда аккумулятора постепенно возрастает с 11,9 В до 14,7 В. В это время ток остаётся почти неизменным на уровне 0,65 А.

EDN AGYVSX

Рисунок 1 – Характеристики заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда

В этот период происходит зарядка аккумулятора с постоянным током, где он быстро набирает около 80% своей ёмкости. После достижения напряжения 14,7 В заряд продолжается при постоянном напряжении, но ток начинает плавно снижаться. Уже через 9 часов ток уменьшается до 0,5 А, а к концу заряда падает до 0,1 А.

Метод заряда при постоянном напряжении является основным для аккумуляторных батарей, работающих в циклическом режиме. В этом случае на выводы батареи подаётся напряжение 14,7 В при температуре окружающей среды 20...25°С. Для разных типов аккумуляторных батарей (различных производителей) это значение может незначительно варьироваться. В документации к аккумуляторам всегда указываются точные параметры заряда и возможные поправки для случаев, когда температура окружающей среды отличается от нормы (25 °С). Зарядка считается завершённой, если зарядный ток остаётся постоянным на протяжении трёх часов [3].

Без контроля за стабильностью напряжения на аккумуляторе может произойти его перезаряд. В этом случае в результате электролиза, когда отрицательные пластины теряют способность эффективно поглощать кислород, вода в электролите распадается на кислород и водород, что приводит к её испарению. Снижение уровня электролита ухудшает протекание химических реакций, что влечёт за собой уменьшение ёмкости батареи и сокращение её срока службы. Чтобы предотвратить эти негативные последствия, необходимо контролировать как напряжение, так и время заряда, что способствует продлению ресурса аккумулятора.

Этот метод заряда отличается своей простотой. В отечественной практике ранее для негерметичных свинцово-кислотных батарей было принято заряжать их при начальном токе 0,1∙С в течение 8...12 часов с напряжением 14,4 В.

При использовании метода заряда при постоянном напряжении зарядное устройство должно быть оборудовано таймером или иным средством, контролирующим время или степень заряда, с возможностью отключения по завершении процесса. Это помогает избежать как недоза-ряда, так и перезаряда.

Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении состоит из двух фаз: сначала батарея заряжается при более высоком напряжении, а затем процесс продолжается при сниженных параметрах, переходя в так называемый компенсирующий или струйный заряд (рисунок 2). На первом этапе ток не должен превышать 0,4∙С, а во время струйной подзарядки – 0,15∙С. Такой метод широко используется в системах резервного питания, включая источники бесперебойного питания для компьютеров и оборудования связи, а также аварийное освещение [4]. Основным преимуществом метода является сокращенное время заряда при переходе из активного в дежурный режим, что позволяет поддерживать батарею в рабочем состоянии с минимальным током. Однако этот метод не подходит для батарей, работающих с подключенной нагрузкой в буферном режиме.

Рисунок 2 – Характеристики двухступенчатого заряда

Особенности заряда АКБ разного вида

Кальциевые аккумуляторы (Ca-Ca) почти не требуют обслуживания и обладают высокими пусковыми токами и большой ёмкостью, но чувствительны к глубокому разряду. После 3–4 таких циклов ёмкость существенно снижается, поэтому важна регулярная подзарядка.

Для зарядки кальциевых АКБ необходим постоянный ток при напряжении 16,1–16,5 В. Обычные зарядные устройства с ограничением 14,8 В могут восстановить только половину ёмкости, а при 15,5 В — около 75–80%. Поскольку автомобильные генераторы не обеспечивают напря- жение выше 15 В, кальциевые батареи следует заряжать раз в 1–2 месяца с использованием программируемых зарядных устройств.

Процесс зарядки требует установки напряжения 16,1 В и тока, равного 10% номинальной ёмкости батареи. Зарядка продолжается до тех пор, пока ток не снизится до 0,5 А, что может занять от 30 минут до нескольких часов. Далее устанавливаются границы 16,1 В/3 А и 13,2 В/0 А для инициации режима «качелей». При достижении верхнего предела напряжения ток падает до 0 А, затем напряжение снижается до 13,2 В, и цикл повторяется.

По мере зарядки время переключения между режимами изменяется: сначала напряжение повышается медленно, а затем быстро снижается, и к концу зарядки эти процессы меняются местами.

Гелевые аккумуляторы (GEL) обладают рядом преимуществ перед традиционными кислотными батареями: высокая отдача тока даже при низком уровне заряда (20–25%), длительный срок службы благодаря большому количеству циклов заряд-разряд, низкие токи саморазряда и возможность хранения в полностью разряженном состоянии при отрицательных температурах. Однако их высокая стоимость и чувствительность к перезарядке являются значительными недостатками. При повышении напряжения гелевый электролит может плавиться, что приводит к повреждению батареи.

Для предотвращения перезаряда рекомендуется использовать электронные зарядные устройства, которые автоматически регулируют ток и время зарядки. Обычные зарядные устройства также могут применяться, если они позволяют регулировать параметры тока и напряжения. Стандартно ток заряда должен составлять 10% от ёмкости батареи, с возможностью кратковременного увеличения до 30% для ускоренной зарядки, но не выше максимального тока, указанного производителем. Напряжение не должно превышать 14,5–15 В. Время зарядки зависит от силы тока: чем ниже ток, тем дольше процесс зарядки, который обычно занимает 8–12 часов.

При зарядке обслуживаемых гелевых аккумуляторов сначала необходимо снять пробки с каждой ячейки, чтобы избежать избыточного давления. Подключив зарядное устройство, устанавливают необходимые параметры тока и напряжения. По мере зарядки напряжение на клеммах батареи будет расти, и важно следить, чтобы оно не превышало значение «CycleUse». Если это происходит, следует уменьшить ток для стабилизации напряжения.

На этикетках батарей указывается напряжение «StandbyUse» (13,5–13,8 В), при котором аккумулятор может безопасно храниться без необходимости подзарядки. Нарушение этого значения может привести к потере ёмкости и выходу батареи из строя.

Для зарядки необслуживаемых гелевых аккумуляторов рекомендуется использовать специализированные зарядные устройства с автоматическим контролем тока и напряжения, а также учётом степени разряда и температуры окружающей среды. Эти устройства обеспечивают эффективную подзарядку, компенсируя температурные изменения и контролируя процесс на всех этапах.

Важно регулярно проверять работоспособность реле-регулятора напряжения генератора при использовании гелевых аккумуляторов в автомобиле. При неисправности которого аккумулятор может быстро износиться. Для дополнительной защиты можно установить клеммы с реле-регуляторами.

Гибридные аккумуляторы оснащены пластинами из сурьмы и кальция, иногда с добавлением серебра. Эти батареи требуют минимального обслуживания, однако важно проверять уровень электролита каждые 2–3 месяца. К преимуществам таких АКБ относятся устойчивость к глубоким разрядам, возможность выдачи высоких токов для запуска двигателя и относительно низкая стоимость.

Зарядка гибридных аккумуляторов стандартна: ток подаётся в размере 10% от ёмкости, а в случае срочной зарядки – до 30%. Напряжение устанавливается в диапазоне от 13,8 до 14,2 В. Процесс можно считать завершённым при достижении значений 14,2 В и тока 0,3–0,5 А. Важно не превышать допустимую силу тока, так как это может привести к закипанию электролита, перегреву пластин и повреждению активной массы.

Летом такие батареи требуют более частой проверки электролита (1–2 раза в месяц), так как при высоких температурах увеличивается его испарение, что приводит к повышению концентрации кислоты. В холодное время года это помогает быстрому запуску двигателя, однако в жару может создать избыток энергии и ускорить испарение электролита.

Необслуживаемые аккумуляторы в большинстве случаев не позволяют проверить состояние пластин или уровень электролита, но процесс их зарядки схож с зарядкой старых АКБ и может выполняться с помощью метода постоянного тока или напряжения. Наиболее удобным решением является использование электронных автоматических зарядных устройств с индикацией завершения процесса, которые автоматически поддерживают оптимальные параметры тока и напряжения, что упрощает процесс для пользователя.

При использовании механических зарядных устройств важно правильно рассчитать время зарядки, исходя из уровня разряда батареи. Например, если напряжение на клеммах составляет 12,7 В, это указывает на полную зарядку (100%), а 11,7 В – на полный разряд. Если напряжение 12,1 В, это означает, что батарея заряжена на 40%.

Заряжать батарею рекомендуется током, равным 10% от её ёмкости. Для восстановления заряда до 100% при разряде на 60% потребуется около 6 часов. Хотя теоретически можно увеличить ток до 40% для сокращения времени зарядки, это крайне не рекомендуется, так как может привести к повреждению аккумулятора.

Для определения времени зарядки батареи следует учитывать степень её разряженности, исходя из напряжения на клеммах и плотности электролита, для этого можно использовать следующий график (рисунок 3).

Рисунок 3 – График для определения времени заряда аккумулятора по плотности электролита и напряжения

На рисунке 3 представлена зависимость времени заряда аккумулятора от напряжения на клеммах и плотности электролита. Например, при значениях напряжения 12,2 В и плотности электролита 1,21 г/см³, время полного заряда составит от 6 до 7 часов. Этот график позволяет точно оценить продолжительность заряда на основании параметров состояния аккумулятора.

Заключение

Различные типы аккумуляторов, такие как кальциевые, гелевые и гибридные, нуждаются в специфических методах зарядки, которые учитывают их особенности и чувствительность к глубокому разряду или перезаряду. Использование правильных режимов зарядки, включая контроль напряжения и тока, предотвращает повреждения батареи и снижает риск потери емкости. Автоматизация процесса с помощью современных заряд- ных устройств позволяет минимизировать человеческий фактор и обеспечить стабильную работу аккумуляторов в любых условиях эксплуатации.