Зарядка АКБ асимметричным током
Аккумуляторная батарея (АКБ) современного автомобиля является расходным материалом и подлежит замене через 3-5 лет. Фактически же ресурс батареи зависит от условий её эксплуатации.
Больше всего аккумуляторы страдают от глубокого разряда, то есть снижения напряжения на его клеммах ниже 12В. При этом в аккумуляторе начинаются деструктивные химические процессы, приводящие к сульфатации пластин, и его ёмкость серьёзно падает. После заряда аккумулятора напряжение на нём поднимется до нормальных 14…14.5В, но его ёмкость уже будет пониженной, энергии аккумулятора будет хватать на всё меньшее количество времени. При внимательном отношении к аккумулятору он может прослужить и более пяти лет, но даже однократный глубокий разряд батареи (ниже 12В) может привести к снижению её ёмкости в несколько раз.
Особенно тяжело аккумулятору приходится зимой. В морозы очень большой ток требуется для запуска двигателя, да и при движении расход энергии от аккумулятора выше.
Также при минусовых температурах не так активно идёт химический процесс заряда аккумулятора от генератора. В результате при коротких поездках аккумулятор не успевает зарядиться, его напряжение изо дня в день падает.
Такая проблема с аккумулятором возникла и у меня: этой зимой я заметил, что аккумулятор очень быстро теряет заряд. Я езжу зимой редко и на небольшие расстояния – вероятно, поэтому аккумулятор не успевал заряжаться от генератора и расходовал энергии больше, чем получал. Если раньше машина заводилась с полуоборота даже в сильные морозы, то теперь я не был уверен, удастся ли завестись сегодня.
Я снял аккумулятор и зарядил его от бытового зарядного устройства «Вымпел-32». К моему удивлению, процесс зарядки полностью разряженной батареи током 5А завершился всего через два часа. Это значит, что в аккумулятор вместо необходимых 55Ач было «закачано» всего 10Ач, то есть ёмкость аккумулятора упала в пять раз! После того, как я поставил заряженный аккумулятор на машину, она завелась бодро, но уже через несколько дней стартер опять крутил еле-еле.
То есть зарядное устройство действительно заряжало аккумулятор, но оно не могло восстановить его ёмкость.
Я решил попробовать восстановить аккумулятор, и только в случае неудачи покупать новый. В Интернете нашлись такие способы борьбы с сульфатацией:
– механический, когда нужно разобрать аккумулятор и очистить его пластины наждачкой, но я вообще не представляю, как это сделать в домашних условиях и собрать всё назад;
– химический, при котором на несколько часов рекомендуют залить в аккумулятор вместо электролита какую-то ядрёную химию. Но результаты по отзывам мало предсказуемые;
– электрический, путём многократного повторения процессов заряд-разряд, в результате чего происходит десульфатация.
Последний способ показался мне наиболее предпочтительным. Но этот процесс может занять неделю постоянной возни с батареей, поэтому очень неудобен. Гораздо интереснее выглядит метод асимметричного заряда, при котором зарядное устройство автоматически то заряжает аккумулятор, то разряжает его.
График такого заряда приведён ниже
Рис.1. График заряда акб асимметричным током
Я решил доработать своё зарядное устройство, и для этой цели отлично подошёл ШИМ-регулятор мощности MP4511 (рис.2.).
Рис.2. ШИМ-регулятор мощности Мастер Кит MP4511
Модуль в первую очередь предназначен для регулировки мощности двигателей и яркости ламп, но принцип его работы оказался вполне подходящим и для решения моей задачи: на выходе MP4511 выдаёт импульсы, частоту и скважность которых можно регулировать.
Только модуль MP4511 пришлось немного доработать. Для понижения рабочей частоты ШИМ до необходимой я заменил конденсатор С6 на 4.7мкФ 50В. Также я установил на полевой транзистор VT1 и диодную сборку DA2 небольшие радиаторы.
При проверке готовой конструкции выяснилось, что «умное» зарядное устройство перестало обнаруживать подключенный через MP4511 аккумулятор и не выдавало напряжение заряда. Пришлось помучиться, но решение было найдено: дроссель L3 из MP4511 был удалён, а его контактная площадка (та, что ближе к центру платы) была соединена с 12 выводом микросхемы TL494 ЗУ «Вымпел».
Рис.3. Общая схема подключения с использованием стандартного блока питания
Рис.4. Схема подключения MP4511 к зарядному устройству «Вымпел»
Разрядный ток обеспечивается резистором, подключенным параллельно клеммам аккумулятора. Я применил резистор сопротивлением 27 Ом. Это значит, что ток разряда составил 12 В/27 Ом = 0,45А. Во избежание перегрева этот резистор должен иметь мощность не менее 10 Вт.
В схеме предусмотрена защита аккумулятора от неконтролируемого разряда в случае случайного исчезновения сетевого напряжения. В этом случае реле своими контактами разомкнет цепь подключения резистора к аккумулятору. Можно применить любое реле с напряжением обмотки 12В и током коммутации не менее 1А.
Напряжение полностью заряженного аккумулятора в зависимости от его типа составляет 14…15В, поэтому и напряжение блока питания должно находиться в этих же границах. Найти готовый блок питания на такое нестандартное напряжение непросто. Но можно приобрести блок питания с выходным напряжением 12В, имеющий подстройку выходного напряжения.
Например, блок питания LRS-100-12 может выдавать напряжение до 13.8В с током до 8.5А. Можно изготовить блок питания самостоятельно, можно применить доработанный ATX блок питания компьютера, подняв напряжение на его выходе со штатных 12В до необходимых 14.5В. Блок питания должен обеспечивать выходной ток 5…10А. Если планируете использовать внешний блок питания, не имеющий регулируемого ограничения выходного тока, обязательно доработайте MP4511: удалите перемычку между контактами разъёма «Шунт» и подключите к этому разъёму низкоомный шунт в виде нескольких витков медной проволоки диаметром 0.1 мм, сопротивление шунта должно составлять около 0.0015 Ом, длину проволоки можно рассчитать по известным формулам. Только после такой доработки MP4511 сможет работать в режиме ограничения тока.
Но, повторюсь, у меня уже было зарядное устройство «Вымпел-32» К его выходным клеммам я подключил доработанный модуль MP4511. Его удалось разместить в штатном корпусе зарядного устройства.
Рис.
5,6,7 Монтаж MP4511 в корпусе зарядного устройства
Я не нашёл точных рекомендаций об оптимальной силе тока заряда/разряда и частоте импульсов. Большинство электронщиков советуют ток заряда выбирать как 1/10 от ёмкости батареи, а ток разряда в 10 раз ниже зарядного. То есть для аккумулятора ёмкостью 55Ач это значения 5А и 0.5А, соответственно.
Ток заряда в моём случае я ограничил регулятором штатного зарядного устройства. Только надо учитывать, что разрядный резистор подключен к батарее постоянно, поэтому ток заряда я установил 5.5А, из них 5А поступают в батарею, а 0.5А рассеиваются в нагрузочном резисторе. Если Вы будете применять обычный блок питания, можете ограничить ток заряда переменным резистором на модуле MP4511. Ещё раз напоминаю, что схема ограничения тока в MP4511 будет работать только после удаления перемычки и установки шунта!
Частота переключения режимов заряд/разряд в различных найденных мною схемах составляла от нескольких Гц до десятков кГц, какая частота эффективнее – вопрос открытый.
Я выбрал частоту около 50 Гц (то есть переключение циклов заряд-разряд в моём случае происходит 50 раз в секунду), скважность импульсов выбрал равной 2 (длительности периодов заряда и разряда равны).
Частоту и скважность импульсов я проверил с помощью карманного DIY-осциллографа NM8025box. Если у Вас нет осциллографа или частотомера, установите движки подстроечного и переменного резисторов модуля MP4511 примерно в средние положения.
Рис.8. Проверка параметров осциллографом
Заряд необходимо прекращать при достижении напряжения на клеммах аккумулятора около 14.5В (точное значение зависит от типа аккумулятора). Большинство зарядных устройств автоматически прекратят зарядку, да и в случае применения MP4511 совместно с любым блоком питания аккумулятор перестанет брать ток, когда его напряжение поднимется до напряжения на выходе источника питания. Но всё же рекомендую надолго не оставлять заряжаемую батарею без присмотра.
Теперь о результатах. Я уже писал, что мой аккумулятор почти полностью потерял ёмкость, она была на уровне всего 10Ач.
После первого же цикла зарядки асимметричным током (режим 5А заряд/0.5А разряд) ёмкость аккумулятора возросла примерно до 25Ач. Воодушевившись результатом, я провёл ещё один цикл зарядки, и получил прирост ёмкости где-то до 30Ач. Это всё равно ниже нормальной ёмкости (55Ач.), но улучшения в моём случае значительные. Машина заводится нормально, аккумулятор не разряжается так быстро, как раньше. Думаю, что на год можно отложить покупку нового аккумулятора. А если за новым аккумулятором следить и регулярно проводить профилактические циклы восстановления с помощью описанного метода, то он сможет прослужить более десяти лет.
Владимир, г.Ульяновск
Восстановление автомобильного аккумулятора асимметричным током » Полезные самоделки ✔тысячи самоделок для всей семьи
Восстановление автомобильного аккумулятора асимметричным током. В результате неправильной эксплуатации автомобильных аккумуляторов пластины их могут сульфатироваться, и он выходит из строя.
Известен способ восстановления таких батарей при заряде их «асимметричным» током.
При этом соотношение зарядного и разрядного тока выбрано 10:1 (оптимальный режим). Этот режим позволяет не только восстанавливать засульфатированные батареи аккумуляторов, но и проводить профилактическую обработку исправных.
На рис. 1 приведено простое зарядное устройство, рассчитанное на использование вышеописанного способа. Схема обеспечивает импульсный зарядный ток до 10 А (используется для ускоренного заряда). Для восстановления и тренировки аккумуляторов лучше устанавливать импульсный зарядный ток 5 А. При этом ток разряда будет 0,5 А. Разрядный ток определяется величиной номинала резистора R4.
Рис. 1 Электрическая схема зарядного устройства.
Схема выполнена так, что заряд аккумулятора производится импульсами тока в течение одной половины периода сетевого напряжения, когда напряжение на выходе схемы превысит напряжение на аккумуляторе. В течение второго полупериода диоды VD1, VD2 закрыты и аккумулятор разряжается через нагрузочное сопротивление R4.
Значение зарядного тока устанавливается регулятором R2 по амперметру. Учитывая, что при зарядке батареи часть тока протекает и через резистор R4 (10%), то показания амперметра РА1 должны соответствовать 1,8 А (для импульсного зарядного тока 5 А), так как амперметр показывает усредненное значение тока за период времени, а заряд производится в течение половины периода.
В схеме предусмотрена защита аккумулятора от неконтролируемого разряда в случае случайного исчезновения сетевого напряжения. В этом случае реле К1 своими контактами разомкнет цепь подключения аккумулятора. Реле К1 применено типа РПУ-0 с рабочим напряжением обмотки 24 В или на меньшее напряжение, но при этом последовательно с обмоткой включается ограничительный резистор.
Для устройства можно использовать трансформатор мощностью не менее 150 Вт с напряжением во вторичной обмотке 22…25 В.
Измерительный прибор РА1 подойдет со шкалой 0…5 А (0…3 А), например М42100. Транзистор VT1 устанавливаются на радиатор площадью не менее 200 кв.
см, в качестве которого удобно использовать металлический корпус конструкции зарядного устройства.
В схеме применяется транзистор с большим коэффициентом усиления (1000…18000), который можно заменить на КТ825 при изменении полярности включения диодов и стабилитрона, так как он другой проводимости. Последняя буква в обозначении транзистора может быть любой.
Рис. 2 Электрическая схема пускового устройства.
Для защиты схемы от случайного короткого замыкания на выходе установлен предохранитель FU2.
Резисторы применены такие R1 типа С2-23, R2 — ППБЕ-15, R3 — С5-16MB, R4 — ПЭВ-15, номинал R2 может быть от 3,3 до 15 кОм. Стабилитрон VD3 подойдет любой, с напряжением стабилизации от 7,5 до 12 В.
Приведенные схемы пускового (рис.2) и зарядного устройств (рис. 1) можно легко объединить (при этом не потребуется изолировать корпус транзистора VT1 от корпуса конструкции), для чего на пусковом трансформаторе достаточно намотать еще одну обмотку примерно 25.
..30 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 1,8…2,0 мм.
Эта обмотка используется для питания схемы зарядного устройства.
Внимание!!! информация содержащаяся на данной странице, может быть устаревшей и содержать ошибки. Поэтому приводиться исключительно в ознакомительных целях.
Также есть быстрый способ восстановления автомобильного аккумулятора с помощью химических средств, Об этом читайте в этой статьеА
Обзор/анализ методологии экстремально быстрой зарядки с помощью асимметричной температурной модуляции
Апурв Шалиграм
Апурв Шалиграм
Работаем над аккумуляторной технологией следующего поколения, чтобы положить начало революции электромобилей… ⏭️⚡⚡🔋
Опубликовано 2 ноября 2019 г.
+ Подписаться
Я только что прочитал всю статью об экстремально быстрой 10-минутной зарядке литий-ионных аккумуляторов (LIB) с помощью метода асимметричной температурной модуляции. Я должен сказать, что эта работа имеет гораздо более надежную методологию и намного ближе к коммерческой приемлемости по сравнению с некоторыми другими недавними заявлениями о быстрой зарядке. Я говорю это, потому что в работе используются существующие химические процессы и конструкции ячеек, чтобы продемонстрировать, как клетки могут быть быстро заряжены, в отличие от использования экзотических химических комбинаций, которые приводят к серьезным компромиссам с плотностью энергии.
Чтобы глубже погрузиться в тему, давайте начнем с того, почему быстрая зарядка является проблемой в LIB. Когда ЛИА заряжается, ионы лития высвобождаются из материала катода (что приводит к увеличению потенциала катода) и накапливаются в материале анода (что приводит к падению потенциала анода).
Другой основной причиной ухудшения емкости ЛИА является разложение электролита, степень которого зависит от времени и температуры, как предложено и подтверждено Dahn et al. В отрасли существует консенсус в отношении того, что элементы не следует подвергать заряду при температуре выше 45°C, чтобы избежать разложения электролита. Однако это предполагает нормальную скорость зарядки до 1C (1 час зарядки), выше которой зарядка невозможна из-за проблем с литиевым покрытием. Это исследование показывает, что проблема литиевого покрытия подавляется повышением температуры благодаря улучшенной кинетике в ячейке (следовательно, более низкой поляризации концентрации заряда и падению анодного потенциала), в то время как влияние разложения электролита сводится к минимуму по мере того, как время, в течение которого воздействие высокой температуры на клетку сведено к минимуму (10 минут). Что особенно интересно, так это кривые релаксации напряжения в конце быстрой зарядки. В случаях более низких температур ячейки они ясно показывают плато, которое указывает на интеркалирование гальванического лития (что является энергетически выгодным).
Не будем придираться, но есть несколько вопросов по методологии, предложенной в этом исследовании.
1. Метод, используемый для равномерного нагрева элементов, заключается в добавлении никелевых нагревателей внутрь пакета элементов. В то время как эта модификация в конструкции клеток и способе применима к клеткам-мешочкам, ее просто невозможно включить в цилиндрические клетки.
2. Данные, собранные в этом исследовании, показывают, что повышение температуры из-за самой зарядки не приводит к превышению температуры элемента 60°C. Хотя это может быть верным для отдельных тестируемых ячеек типа Z-stack, отвод тепла в случае более крупного аккумуляторного блока будет серьезной проблемой.
3. Z-образная конструкция электродов сама по себе способствует уменьшению нагрева элемента из-за самой зарядки, поскольку ток разделяется на несколько путей.
Такое условие было бы невыполнимо в случае цилиндрических ячеек, где ток проходит через длинные полоски фольги токоприемника (вызывая неравномерный нагрев ячейки). Таким образом, методология не может быть принята для цилиндрических ячеек даже с внешним источником нагрева.
4. Наконец, у мешкообразных ячеек есть проблемы с выделением газа в течение срока службы, что требует конструктивных соображений, ведущих к снижению объемной плотности энергии. Таким образом, эта методология позволит значительно ускорить зарядку, но по-прежнему будет иметь компромисс между мощностью и плотностью энергии (все еще в гораздо меньшей степени по сравнению с другими вариантами быстрой зарядки).
Ждем еще таких интересных новинок.
Самовозгорание литий-ионных аккумуляторов
может помочь увеличить запас хода на 200 миль за 10 минут
13 ноября 2019 г.
, 11:32 по восточному времени срок жизни. Но у них есть и другие проблемы, которые необходимо решить, такие как литиевое покрытие и SEI — или межфазный рост в твердом электролите.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания, такие как Чао-Янг Ванг, нашли, по-видимому, простой способ справиться с этим: изменение температуры зарядки и разрядки. Их метод называется ATM — асимметричная температурная модуляция. Это может помочь проехать 200 миль на аккумуляторе всего за десять минут.
Галерея: Исследователи Университета штата Пенсильвания разработали асимметричную модуляцию температуры
8 Фото
Эти требования исходят от Министерства энергетики США (DOE). Это дало исследователям цель разработать технологию экстремально быстрой зарядки, также известную как XFC, основанную именно на увеличении пробега на 200 миль за десять минут. Министерство энергетики финансирует многообещающие исследования для достижения этой цели, в том числе и это.
Вы, наверное, спросите, как в этом может помочь изменение температуры.
Ученые повышают температуру батареи до 60ºC (140ºF) на десять минут. По словам исследователей, этого достаточно, чтобы батарея проехала еще 200 миль. Это не дольше, чем это, потому что высокие температуры увеличивают SEI, одну из основных причин потери лития в батарее.
Самая большая проблема при этом заключается в том, что метод внешнего нагрева займет слишком много времени, чтобы довести батареи до идеальной температуры. Вот почему команда Вана разработала никелевую фольгу, которая помещается внутрь каждой ячейки и заставляет ее быстрее нагреваться до 60ºC.
Еще одной важной частью банкомата является поддержание заряда батарей во время разрядки. Обычная BMS — система управления батареями — уже позаботится об этом, даже если она есть не у всех электромобилей, а некоторые производители заявляют, что в ней нет необходимости.
Будущая BMS также будет управлять самонагревающимися батареями. Энергия для нагрева будет поступать от быстрой зарядки.
Любопытно, что исследователи выяснили, что нагревательное устройство для зарядки снижает потребность в охлаждении аккумулятора более чем в 12 раз. По словам исследователей, «из-за меньшего внутреннего тепловыделения и увеличенной разницы температур, приводящей к рассеиванию тепла».
Чтобы иметь представление о том, что это означает, исследователи из Пенсильванского государственного университета выдержали 1700 циклов XFC, или заряд от 6 C до 8 процентов SOC – состояние заряда. Потеря емкости составила 20 процентов. Контрольная ячейка не выдержала 60 циклов XFC.
Когда исследователи попробовали высокоэнергетический (209 Втч/кг) литий-ионный аккумулятор, результаты были еще лучше. Он потерял всего 8,3 процента емкости после 2500 циклов XFC. Это составляет 500 000 миль использования. Министерству энергетики требовалась только батарея, способная выдержать 500 циклов с максимальной потерей 20 процентов.
