Однако различные характеристики разных типов батарей создают технические сложности для потребителей и даже инженеров при выборе батарей и зарядных устройств. В этой статье будут рассмотрены различия между двумя наиболее популярными типами батарей: свинцово-кислотными и литиевыми, а также способы выбора подходящего зарядного устройства.
Характеристики свинцово-кислотных и литиевых батарей:
Свинцово-кислотные батареи, как один из самых популярных типов, имеют долгую историю. К их преимуществам относятся высокая устойчивость к напряжению зарядки, высокая токовая нагрузка, широкий диапазон рабочих температур и низкая стоимость. Они часто используются в мобильных устройствах, таких как автомобили и погрузчики, а также в системах резервного питания. Недостатками свинцово-кислотных батарей являются высокая скорость саморазряда и относительно короткие циклы зарядки/разрядки; поэтому они не подходят для хранения энергии.
В отличие от свинцово-кислотных, высокая скорость зарядки/разрядки, низкая скорость саморазряда и высокая плотность энергии литиевых батарей делают их лучшим выбором для длительного хранения энергии. В зависимости от металла, используемого в катоде литиевых батарей, существует множество вариантов с различными характеристиками. Оксид лития-кобальта (LCO) обладает высокой плотностью энергии и идеально подходит для персональной электроники. Фосфат лития-железа (LiFePO4) имеет более длительный срок службы и относительно хорошую термическую стабильность, что делает его лучшим выбором для решений по хранению энергии. Ограничением литиевых батарей является то, что тепловой разгон может привести к их возгоранию. Поэтому для зарядки и разрядки литиевых батарей требуется более контролируемый процесс.
Алгоритм зарядки аккумулятора:
Номинальное напряжение одной свинцово-кислотной ячейки составляет приблизительно 1,8–2,3 В, а максимальный рекомендуемый зарядный ток — 0,3 С. Большинство коммерчески доступных аккумуляторов имеют множество ячеек, соединенных последовательно и параллельно, образуя батарею большой емкости с более практичными напряжениями, такими как 12 В, 24 В и 48 В. Следует отметить, что обозначения «12 В», «24 В» или «48 В» часто используются неточно как указание диапазона напряжений. Фактическое напряжение будет постоянно меняться в зависимости от оставшейся емкости. Например, напряжение холостого хода типичного 12-вольтового свинцово-кислотного аккумулятора AGM составляет от 10,8 В (30% емкости батареи) до 13,8 В (100% емкости).
Из-за высокой скорости саморазряда свинцово-кислотных аккумуляторов часто рекомендуется трехступенчатый метод зарядки. Типичный цикл зарядки начинается со стадии постоянного тока («стадия 1» на рис. 1), где зарядное устройство ограничивает выходной ток до максимальной емкости и медленно увеличивает выходное напряжение. Как только напряжение батареи достигает максимального зарядного напряжения, зарядное устройство переключается на стадию постоянного напряжения («стадия 2» на рис. 1). Затем зарядное устройство начинает непрерывно выдавать максимальное номинальное напряжение, контролируя выходной ток. Наконец, зарядное устройство переключается на стадию поддерживающей зарядки («стадия 3» на рис. 1) после того, как зарядный ток падает ниже примерно 10% от номинального тока. На этой стадии зарядное устройство снижает выходное напряжение, чтобы предотвратить перезаряд. Хотя батарея к этому моменту почти полностью заряжена, она все еще непрерывно потребляет энергию от зарядного устройства для компенсации саморазряда. Рисунок 1.
Трехступенчатая кривая зарядки.
Литиевые батареи могут иметь номинальное напряжение от 3,2 В до 4,4 В с максимальным зарядным током до 1C. Даже один и тот же химический вариант литиевых батарей, но от разных производителей, может иметь различное номинальное напряжение и зарядный ток. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литиевые батареи не выдерживают высоких зарядных напряжений и не требуют поддерживающего заряда для сохранения своего состояния. Поэтому литиевые батареи часто заряжают в два этапа (рис. 2), без поддерживающего заряда.
Рисунок 2. Двухступенчатая кривая зарядки.
Дисбаланс элементов является проблемой для многих литиевых батарей. Из-за производственных допусков эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) литиевых элементов не может быть идеально согласовано. Разница между ними приводит к тому, что элементы в одном и том же блоке заряжаются при разных напряжениях или токах. Элементы с низким ESR всегда будут полностью заряжаться/разряжаться первыми, поэтому эти элементы быстрее изнашиваются и выходят из строя. Дисбаланс элементов не только сокращает срок службы батареи, но также может привести к тепловому разгону и стать угрозой безопасности. Для решения этой проблемы большие блоки литиевых батарей всегда должны быть оснащены системами управления батареями (BMS). Основная функция BMS заключается в мониторинге состояния заряда и пассивной или активной балансировке элементов. Пассивная BMS балансирует элементы, разряжая наиболее заряженные элементы с помощью силовых резисторов. Она надежна и относительно проста в проектировании, но менее эффективна. С другой стороны, активная BMS заряжает элементы индивидуально, чтобы согласовать их уровни заряда. Поскольку активная система управления батареей (BMS) контролирует заряд каждой ячейки, некоторым литий-ионным аккумуляторным батареям с активной балансировочной BMS в качестве зарядного устройства требуются только источники питания постоянного напряжения переменного/постоянного тока.
Интеллектуальное решение для зарядки аккумуляторов MEAN WELL.
Как уже упоминалось, аккумуляторы с разным химическим составом и от разных производителей могут иметь разные характеристики. Также рекомендуется (обязательно для литиевых аккумуляторов) использовать оптимизированную кривую зарядки для обеспечения надежности, долговечности и безопасности. Программируемые зарядные устройства постоянного тока MEAN WELL с интеллектуальным программатором заряда SBP-001 обеспечивают гибкость и удобный интерфейс для настройки кривой зарядки.
В качестве примера мы будем использовать новую серию HEP-1000 и выберем модель HEP-1000-48 с постоянным напряжением 48 В и максимальной мощностью 1008 Вт. Пользователи могут подключить HEP-1000-48 к интеллектуальному программатору зарядного устройства MEAN WELL SBP-001 и включить режим зарядки. Кривая зарядки по умолчанию состоит из 3 этапов (рис. 3) для типичных герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов с напряжением повышающего заряда 57,6 В и напряжением поддерживающего заряда 55,2 В. Напряжение и ток зарядки легко регулируются до 36–60 В и 3,5–17,5 А соответственно для других типов свинцово-кислотных батарей.
На рисунке 3 показана интеллектуальная программа зарядки (HEP-1000-48, 3-ступенчатая зарядка).
Просто выбрав 2-ступенчатый режим зарядки, HEP-1000 можно использовать для зарядки литиевых батарей в том же диапазоне регулировки. Для зарядки литий-железо-фосфатной батареи емкостью 20 Ач с максимальным напряжением зарядки 56 В, параметры «CV» и «CC», показанные на рисунке 4, можно установить на 56 В и 17,5 А для более быстрой зарядки. Пользователь также может уменьшить ток зарядки, чтобы предотвратить перегрев и падение напряжения, тем самым избегая возможности перезарядки.
Рисунок 4. Интеллектуальная программа зарядки (HEP-1000-48, двухступенчатая зарядка)
заключение
, программируемые зарядные устройства MEAN WELL позволяют настраивать кривые зарядки свинцово-кислотных или литиевых батарей. Регулировка напряжения и тока зарядки в зависимости от температуры сохраняет батарею, оптимизирует ее емкость и продлевает срок ее службы.
Автор: Анке Ге/Центр технического обслуживания.
Перевод: Отдел маркетинга компании OLFER Electronics.
