Заряд автомобильных аккумуляторов можно производить от любого источника постоянного тока при условии, что его напряжение больше, чем напряжение заряжаемой батареи. Для заряда автомобильных аккумуляторов положительный вывод соединяют с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.
Методы заряда автомобильных аккумуляторов, заряд при постоянном токе и при постоянном напряжении, уравнительный, форсированный и модифицированный заряд.
Для любого момента заряда автомобильных аккумуляторов сила зарядного тока будет определяться следующим соотношением:
Iз = (Uзу-Uб) / R
где:
Uзу — напряжение зарядного устройства.
Uб — напряжение батареи.
R — суммарное сопротивление зарядной цепи.
Из этого выражения следует, что при равенстве напряжения зарядного устройства и батареи ток в цепи будет равен нулю. Если напряжение источника больше напряжения батареи, зарядный ток будет тем больше, чем выше напряжение зарядного устройства. В случае, когда напряжение зарядного устройства меньше напряжения батареи, происходит разряд батареи.
Напряжение автомобильных аккумуляторов при заряде изменяется в зависимости от температуры электролита и степени ее заряженности. Поэтому в процессе заряда необходима регулировка параметров зарядного устройства. Процесс может быть осуществлен различными режимами в зависимости от применяемых в зарядных устройствах систем регулирования напряжения или тока. В эксплуатации используются следующие основные системы заряда:
— При постоянном токе.
— При постоянном напряжении.
Заряд автомобильного аккумулятора при постоянном токе.
При таком заряде сила тока в течение всего времени заряда автомобильных аккумуляторов должна оставаться неизменной. Для этого в ходе заряда автомобильных аккумуляторов необходимо менять напряжение зарядного устройства или сопротивление цепи. Существует несколько способов регулирования силы зарядного тока.
Основные из них:
— Включение последовательно с батареей в зарядную цепь реостата.
— Применение регуляторов силы тока (например, тиристорных), которые периодическим включением и выключением дополнительного сопротивления в цепи заряда меняют силу тока таким образом, чтобы его среднее значение оставалось постоянным.
— Изменение напряжения источника тока ручным или автоматическим регулятором в соответствии с показаниями силы тока. Корректируя его до заданного постоянного значения.
Большинство выпрямительных устройств, предназначенных для заряда автомобильных аккумуляторов, питается от сети переменного тока. Имеет либо ступенчатую, либо плавную регулировку напряжения за счет изменения коэффициента трансформации. Поэтому в процессе заряда приходится периодически регулировать напряжение рукоятками соответствующего регулятора.
При включении реостата последовательно с батареей в зарядную цепь, параметры реостата выбираются такими, чтобы сечение обмоток реостата допускало без перегрева силу тока заданной величины. Пределы регулирования сопротивления реостата должны удовлетворять следующим соотношениям:
Rн = (Uзу — nUнз) / Iз
Rк = (Uзу — nUкз) / Iз
где:
Uнз — напряжение заряжаемых батарей в начале заряда.
Uкз — напряжение тех же батарей в конце заряда.
n — количество последовательно включенных батарей.
Во всех случаях напряжение зарядного устройства должно быть выше суммарного напряжения поставленных на заряд батарей. При заряде постоянным током исправных батарей общее время заряда может быть определено по их исходной степени заряженности. Зная емкость, которую необходимо сообщить при заряде батареи, можно определить время ее заряда.
При заряде полностью разряженных батарей в нормальный условиях (при комнатной температуре) процесс заряда в первый момент идет с максимальным коэффициентом использования тока. Повышение степени заряженности и возрастание поляризации приводят к увеличению суммарного внутреннего сопротивления батареи и увеличению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и других элементов батареи.
Кроме того, на заключительной стадии заряда автомобильных аккумуляторов начинается вторичный процесс — электролиз воды, входящей в состав электролита. Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита. Это свидетельствует о завершении процесса заряда батареи. С целью снижения потерь энергии при заряде, уменьшения нагрева батареи и предохранения уровня электролита от чрезмерного снижения рекомендуется в конце процесса заряда снижать силу зарядного тока.
Для заряда при постоянном токе наиболее распространенным является режим, который состоит из двух ступеней.
— Первая ступень заряда производится при токе равном 0,1С20 (номинальной емкости) до тех пор, пока напряжение на батарее 12 В не достигнет 14,4 В (2,4 В на каждом аккумуляторе).
— Далее сила зарядного тока снижается вдвое до величины 0,05С20 (номинальной емкости).
Заряд при такой силе тока продолжается до постоянства напряжения и плотности электролита в аккумуляторах в течение 2 часов. При этом в конце заряда наблюдается бурное выделение газа, приводящее к кипению электролита.
При заряде батарей последнего поколения (без пробок для доливки воды) целесообразно при достижении напряжением заряда величины 15 В еще раз уменьшить ток заряда вдвое, т.е. до величины 0,025С20. Заряд таких батарей завершается при напряжении 16,2-16,4 В в зависимости от состава сплава решеток и чистоты электролита.
Пониженная сила тока в конце заряда автомобильных аккумуляторов позволяет:
— Уменьшить скорость газовыделения.
— Снизить влияние перегрева на последующую работоспособность и срок службы батареи.
— Обеспечить полноту заряда.
Учитывая, что при комнатной температуре напряжение на каждом аккумуляторе батареи составляет в конце заряда 2,6-2,7 В, расчетное сопротивление реостата должно выбираться из условия:
R = [Uзу — (2,6 / 2,7)] n/0,5 Iз
где:
n — количество аккумуляторов в заряжаемой батарее.
0,5 — корректирующий коэффициент, обеспечивающий возможность снижения зарядного тока при повышении температуры электролита.
Уравнительный заряд.
Такой заряд производится при постоянной силе тока менее 0,1 от номинальной емкости в течение несколько большего времени, чем обычно. Его цель — обеспечить полное восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов батареи.
Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов и рекомендуется как мера, устраняющая нарастающую сульфатацию электродов. Заряд продолжается до тех пор, пока во всех аккумуляторах батареи не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжения в течение трех часов. При необходимости в короткое время восстановить работоспособность глубоко разряженной аккумуляторной батареи, применяют так называемый форсированный заряд.
Форсированный заряд.
Такой заряд может производиться токами величиной до 70 % от номинальной емкости, но в течение более короткого времени. Время заряда тем меньше, чем больше величина зарядного тока. Практически при заряде током 0,7С20 продолжительность заряда автомобильных аккумуляторов не должна быть более 30 минут. При 0,5С20 — 45 минут, а при 0.ЗС20 — 90 минут. В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита, и при достижении 45 °С прерывать заряд.
Следует отметить, что применение форсированного заряда должно быть исключением. Так как его систематическое многократное повторение для одной и той же батареи заметно сокращает срок ее службы.
Заряд автомобильного аккумулятора при постоянном напряжении.
При этом способе в течение всего времени заряда напряжение зарядного устройства поддерживается постоянным. Зарядный ток убывает в процессе заряда по причине увеличения внутреннего сопротивления батареи.
В первый момент после включения сила зарядного тока определяется следующими факторами:
— Выходным напряжением источника питания.
— Степенью заряженности батареи.
— Количеством последовательно включенных батарей.
— Температурой электролита батарей.
Сила зарядного тока в начальный момент заряда может достигать (1,0-1,5)С20. Для исправных, но разряженных батарей такие токи не принесут вредных последствий. Несмотря на большие токи в начальный момент зарядного процесса общая продолжительность полного заряда батарей примерно соответствует режиму при постоянстве тока.
Дело в том, что заключительный этап заряда при постоянстве напряжения происходит при достаточно малой силе тока. Тем не менее, заряд по такой методике в ряде случаев предпочтителен. Так как он обеспечивает более быстрое доведение батареи до состояния, позволяющего обеспечить пуск двигателя.
Кроме того, сообщаемая на начальном этапе заряда энергия расходуется преимущественно на основной зарядный процесс. То есть на восстановление активной массы электродов. При этом процесс газообразования в аккумуляторе еще не возможен. Таким образом, заряд при постоянстве напряжения позволяет форсировать процесс заряда при подготовке батареи к эксплуатации.
Модифицированный заряд.
Такой заряд представляет собой некоторое приближение к заряду при постоянном напряжении. Цель его — несколько уменьшить силу тока в начальный период заряда и снизить влияние колебания напряжения в сети на зарядный ток. Для этого последовательно с аккумуляторной батареей в электрическую цепь включают резистор небольшого сопротивления.
Такой прием известен под названием «способа с полупостоянным напряжением». При применении данного метода напряжение на клеммах зарядного устройства поддерживается постоянным в пределах от 2,5 до 3,0 В на один аккумулятор. Считается, что для свинцовых аккумуляторов оптимальным является напряжение 2,6 В на аккумулятор, обеспечивающее заряд примерно за 8 часов.
Изменение показателей свинцового аккумулятора в процессе заряда методом модифицированного постоянного напряжения показано на схеме ниже. Эти кривые получены при напряжении 2,63 В на аккумулятор и добавочном сопротивлении 0,0091 Ом. Заряд был закончен за 8 часов.
Как видно из схемы, зарядный ток уменьшается по мере роста напряжения батареи. Рост плотности электролита начинается уже после 2-часового заряда автомобильных аккумуляторов и продолжается несколько часов. Газовыделение начинается примерно через 4,5 часа и сопровождается заметным снижением зарядного тока.
Точка на кривой изменения напряжения аккумулятора, равная 2,37 В, соответствует установке срабатывания реле напряжения, контролирующего заряд. Через 7 часов батарея получает емкость, отданную ею при разряде. Дальнейший заряд ведется заключительным режимом до небольшого перезаряда.
Изменение показателей свинцового аккумулятора в процессе заряда методом модифицированного постоянного напряжения.
Для отключения зарядного агрегата в конце заряда обычно применяют автоматические устройства. Это может быть комбинация чувствительного реле напряжения с часовым механизмом или счетчик ампер-часов. Реле напряжения запускает часовой механизм, когда напряжение на батарее достигает заданного значения. Часовой механизм отсчитывает установленное время, после чего отключает зарядное устройство.
Кроме описанных выше, применяются методы заряда автомобильных аккумуляторов, представляющие в какой-то мере их вариации. Так, в процессе длительной эксплуатации могут иметь место случаи, когда плотность электролита и степень заряженности отдельных аккумуляторов в батарее будет различной. В этом случае перед началом зимней эксплуатации целесообразно провести так называемый уравнительный заряд, который был описан выше.
Постоянный подзаряд.
Цель данного вида заряда — компенсация саморазряда. Постоянный подзаряд производят при постоянном напряжении, величина которого незначительно превышает напряжение полностью заряженной батареи.
При постоянном подзаряде нескольких батарей, включенных в электрическую цепь параллельно, в цепь каждой батареи включают переменное или постоянное сопротивление для ограничения силы зарядного тока. Главным недостатком режима постоянного подзаряда является параллельное протекание вторичного процесса. Это ускоряет коррозию решеток положительных электродов.
По материалам справочника «Аккумуляторные батареи».
Курзуков Н. И., Ягнятинский В. М.