Efektywne ładowanie akumulatora
Wprawdzie o samym procesie ładowania oraz o oszacowaniu stanu naładowania akumulatora pisałem już w moich rozważaniach, ale ponieważ bardzo często ładuję i rozładowuję różne akumulatory – tym razem chciałbym się zająć kwestią przeprowadzenia efektywnego ładowania.
Trzeba sobie na początku odpowiedzieć na pytanie, co to jest to efektywne ładowanie. W moim odczuciu, to takie ładowanie które:
nie powoduje nadmiernego wzrostu temperatury zajmuje stosunkowo niewiele czasu
nie jest szkodliwe dla akumulatora
zapewni pełne naładowanie akumulatora – odbudowując zarówno parametry elektryczne jak i chemiczne
Dla przypomnienia, wymienię najpopularniejsze metody ładowania:
ładowanie jednostopniowe – stałym prądem 0,1C
ładowanie dwustopniowe – stałym prądem 0,1C do oznak gazowania, a następnie prądem 0,05C
ładowanie stałym napięciem
ładowanie odsiarczające – stałym prądem na poziomie 0,02-0,05C
W przypadku akumulatorów żelowych czy AGM w sumie nie ma większej filozofii – wystarczy zastosować ładowanie jednostopniowe – stałym prądem na poziomie 0,1C i takie ładowanie naprawdę się sprawdza. Mało tego – producenci akumulatorów zazwyczaj dopuszczają maksymalny prąd ładowania na poziomie 0,3C – i nawet w przypadku ładowania takich akumulatorów maksymalnym
prądem, nie występuje nadmierny wzrost temperatury.
Dla przykładu zamieszczam poniżej wycinek karty katalogowej, dość popularnego akumulatora żelowego CSB GP 12120, który jest stosowany do zasilaczy UPS – jest to akumulator 12Ah, a jego maksymalny prąd ładowania wynosi 3,6A
Inaczej ma się sytuacja w przypadku akumulatorów z płynnym elektrolitem. Gdyby ładować akumulator do napięcia 15V – gdzie nie występuje jeszcze faza gazowania elektrolitu, generalnie można by stosować tą samą zasadę co wyżej – ładowanie jednostopniowe prądem 0,1-0,3C. Jednak konieczność odbudowania gęstości elektrolitu i podniesienie napięcia ładowania, wymusza zmniejszenie prądu ładowania ze względu na szybki wzrost temperatury i niekorzystny wpływ na parametry akumulatora.
Kiedyś z ciekawości przeprowadziłem ładowanie jednostopniowe prądem 0,1C na moim “pacjencie” – wykres z tego ładowania przedstawiam poniżej:
Wprawdzie ładowanie całkowicie rozładowanego akumulatora trwało niewiele ponad 9 godzin, po których osiągnąłem gęstość elektrolitu na poziomie 1,27g/cm3, lecz wzrost temperatury elektrolitu wyniósł 22oC (temperatura w warsztacie wynosiła 11oC). Analogicznie – gdyby temperatura otoczenia była wyższa – wzrost byłby jeszcze większy.
Sensowne w tym przypadku, wydaje się ładowanie dwustopniowe – gdzie nie występuje nadmierne gazowanie, co za tym idzie wzrost temperatury, jednak czas takiego ładowania wynosi mniej więcej od 12 do 16 godzin w przypadku akumulatora całkowicie rozładowanego.
Poszukując informacji na temat różnych algorytmów ładowania, natknąłem się na taką oto stronę -> http://jgdarden.com/batteryfaq/carfaq9.htm .
Zauważyłem, że w większości procesów, początkowy prąd ładowania wynosił 0,2C – aż do napięcia 14,5-15V – czyli do wystąpienia pierwszych objawów gazowania elektrolitu. Następnie – w zależności od rodzaju akumulatora, albo prąd zostaje ograniczony do wartości 0,5C, albo następuje ładowanie stałym napięciem w okolicy 16,25V. Cały proces rzekomo ma trwać 8 godzin, przy czym 2 godziny jest
poświęcone na ładowanie podtrzymujące – czyli takie które ma zadanie “uspokoić”
procesy chemiczne które zaszły podczas ładowania.
Czy faktycznie te 8 godzin wystarczy aby w pełni naładować akumulator ? Teoretycznie, ładując akumulator przez 4 godziny prądem 0,2C, powinien być naładowany w 80%. Przez kolejne 2 godziny akumulator jest ładowany stałym napięciem 16,25V a prąd powoli spada do wartości 0,05C. Trudno oszacować jaka pojemność w tym czasie zostanie wprowadzona do akumulatora, ale średnio będzie to 20% całkowitej pojemności. Biorąc pod uwagę sprawność akumulatorów – to wciąż trochę za mało.
Poza tym, martwi mnie dość duży prąd podczas ładowania stałym napięciem – wprawdzie będzie on powoli spadać, ale po osiągnięciu napięcia 16,25V, prąd będzie oscylował w okolicy 0,1C – ja zazwyczaj starałem się aby ten prąd nie był większy niż 0,05C już po przekroczeniu napięcia 15V. Chyba bardziej przemawia do mnie jednak poniższy algorytm – wprawdzie dotyczy ładowania akumulatorów wapniowo-antymonowych, ale moim zdaniem jest zdecydowanie “łagodniejszy”.
W powyższym przypadku początkowy prąd ładowania również jest ustawiony na 0,2C aż do napięcia 14,55V, potem przez krótką chwilę następuje ładowanie stałym napięciem, a prąd spada. W momencie kiedy prąd ładowania spadnie poniżej 0,05C, ponownie następuje ładowanie stałym prądem 0,05C aż do napięcia 16,4V. Po upływie 6,5 godzin, proces przechodzi w tryb ładowania podtrzymującego napięciem 13,1V.
Zastosowanie algorytmu
No cóż, nie pozostało nic innego jak sprawdzić teorię w praktyce. Ponieważ po ostatnim teście akumulatora Viking musiałem go naładować, postanowiłem skorzystać z okazji i zastosować taki oto schemat.
Akumulator posiada pojemność 73Ah – dla ułatwienia obliczeń przyjąłem że 70Ah.
W pierwszej fazie ładowania prąd został ograniczony do 14A – czyli 0,2C, natomiast napięcie zostało ustawione na 14,6V. W momencie kiedy prąd
ładowania spadnie do 3,5A – czyli 0,05C – ograniczę go do tego poziomu i ustawię napięcie 16,4V. Po osiągnięciu gęstości elektrolitu 1,28g/cm3 przejdę do ładowania podtrzymującego przy napięciu 13,6V.
Reasumując ładowanie będzie podzielone na 5 faz:
1 faza – ładowanie stałym prądem 14A
2 faza – ładowanie stałym napięciem 14,6V (do spadku prądu do 3,5A) 3 faza – ładowanie stałym prądem 3,5A (do osiągnięcia napięcia 16,4V) 4 faza – ładowanie stałym napięciem 16,4V (do osiągnięcia gęstości elektrolitu 1,28g/cm3)
5 faza – ładowanie podtrzymujące – stałym napięciem 13,6V
Podczas pierwszej fazy ładowania, już po 2,5 godzinach prąd zaczął spadać i rozpoczęło się ładowanie stałym napięciem. Wprowadzona pojemność to zaledwie 35Ah, według algorytmu – pierwsza faza powinna trwać 4 godziny – wtedy udałoby się wprowadzić ok. 56Ah – więc już mamy spory deficyt jeżeli chodzi o pojemność.
Druga faza trwała kolejne 2 godziny, przez ten czas wprowadzona pojemność wzrosła do 49Ah. Ponieważ przez 4,5 godziny akumulator był ładowany dość intensywnie, postanowiłem sprawdzić jego temperaturę – ta wynosiła 13,5oC i wzrosła względem otoczenia o 4,5oC
Wprowadzona pojemność po zakończeniu trzeciej fazy wynosiła 60Ah – napięcie zaczęło się stabilizować na poziomie 16V.
Od rozpoczęcia procesu ładowania minęło już 7,5 godziny – a patrząc na powyższy algorytm – już po 6,5 godzinach akumulator powinien być już naładowany.
Postanowiłem więc sprawdzić gęstość elektrolitu – niestety ta wzrosła dopiero do 1,25g/cm3
Pomiar gęstości elektrolitu po
Czwarta faza trwała jeszcze przez kolejne 4 godziny zanim gęstość osiągnęła zamierzone 1,28g/cm3. Napięcie ładowania nie przekroczyło progu 16,1V – pomimo że na wyjściu zasilacza było ustawione 16,4V. Łącznie proces trwał już 11,5 godziny – a miał przecież trwać 6,5 godziny – całkowita wprowadzona pojemność wyniosła 74Ah. Zmierzyłem również temperaturę elektrolitu, aby sprawdzić o ile wzrosła temperatura względem otoczenia.
Pomiar gęstości elektrolitu oraz jego temperatury
Piąta faza – końcowa – trwała 1,5 godziny. Tutaj nie doszło do żadnych zmian, ponieważ ta faza ma na celu uspokoić procesy chemiczne. Łączny czas ładowania wyniósł 13 godzin – czyli o 5 godzin więcej niż zakładał zastosowany algorytm. Na koniec przedstawiam wykres z całego procesu.
Wykres ładowania akumulatora Viking 73Ah w/g algorytmu
Podsumowanie
Niestety nie udało się naładować akumulatora w czasie 8 godzin – być może gdybym zastosował ten algorytm który był przeznaczony dla akumulatorów z płynnym elektrolitem typu Ca/Ca (pierwszy prezentowany) udało by się nieco skrócić poświęcony czas – jednak nie uważam że zmieściłbym się w czasie 8 godzin. Poza tym osobiście uważam że jest on zbyt “agresywny” ponieważ ładowanie akumulatora powyżej 15V dużym prądem powoduje nadmierne gazowanie i niepotrzebny wzrost temperatury elektrolitu.
Być może gdybym trochę wydłużył pierwszą fazę i ustawił napięcie 15V zamiast 14,6V – ładowanie przebiegłoby nieco szybciej, ponieważ spadek prądu ładowania nastąpiłby później i wprowadzona pojemność byłby większa.
Co do ładowania prądem 0,2C w pierwszej fazie – uważam że faktycznie nie ma ona negatywnego wpływu na akumulator – temperatura nie wzrosła jakoś drastycznie a przez to można dwukrotnie skrócić czas trwania tej fazy. Jeszcze w kwestii końcowego napięcia – w poprzednim wpisie dotyczącym ładowania pisałem o pewnej właściwości akumulatora – oporze na prąd ładowania. W powyższym przykładzie napięcie nie wzrosło powyżej 16,1V pomimo że ustawione było 16,4V – lecz z powodu ograniczenia prądowego na poziomie 3,5A – akumulator nie “pozwolił” na dalszy wzrost tego napięcia.
No i w końcu kwestia pojemności – wprowadzona pojemność to 74Ah – akumulator posiada fabryczną pojemność 73Ah, jednak jego test wykazał że oszacowana pojemność 20-to godzinna wyniosła zaledwie 56Ah.
