Буферное зарядное устройство свинцовых аккумуляторов

При эксплуатации свинцовых аккумуляторов в нормальном режиме существует два основных способа их зарядки:

• быстрый - метод поддержания постоянного зарядного тока до полной зарядки;
• буферный - I-U зарядка стабильным током до определённого напряжения и дальнейшее его ограничение.

 Оба способа имеют как достоинства, так и недостатки и находят своё применение. Здесь и далее по тексту, если не указано другое, то имеется в виду двенадцати-вольтовая аккумуляторная батарея (с номинальным напряжением 12,6 Вольт). При первом способе зарядка выполняется сравнительно быстро и аккумулятор заряжается до полной своей ёмкости при конечном напряжении 14,5-15 Вольт, но в конце зарядки из-за высокого напряжения на электродах происходит обильное газообразование и этим самым снижается срок службы батареи:

Во втором случае зарядка происходит гораздо дольше с ограничением конечного напряжения 13,6-13,8 Вольт и с большИм падением зарядного тока после достижения 80-90% заряда. Выделение газов при этом незначительно, или вовсе отсутствует, как в современных герметичных гелиевых аккумуляторах. В этом режиме такие аккумуляторы могут без проблем проработать весь свой срок эксплуатации:

Быструю зарядку чаще применяют для аккумуляторов, работающих в циклическом режиме, например в детских электромобилях. А в буферном режиме батареям приходится находится в источниках бесперебойного и аварийного питания. Если долгая продолжительность зарядки не критична, то для циклической эксплуатации батарей так же можно использовать буферный режим, но время зарядки в таком случае будет довольно большим.

В наличии как раз имелось зарядное устройство для быстрой зарядки аккумуляторных батарей детских электромобилей. Судя по наклейке на корпусе оно должно заряжать аккумулятор до 14,5 Вольт током 4 Ампер, питаясь от сети переменного тока напряжением 100-240 Вольт частоты 50/60 Герц, и потребляя при этом мощность до 58 Ватт:

Это довольно высокие значения с учётом того, что предназначено оно для зарядки аккумуляторов с ёмкостью до 8 А·ч, и максимально допустимый зарядный ток для таких батарей составляет 2-2,5 Ампер.

Зарядное устройство моноблочного типа "вилка на корпусе" и имеет сетевой разъём европейского стандарта:

Возле места расположения индикаторных светодиодов передняя часть корпуса имеет вентиляционные щели, которые были деформированы при эксплуатации в результате сильного внутреннего нагрева:

После замеров было установлено, что зарядное устройство на холостом ходу без подключённой нагрузки выдаёт постоянное напряжение почти 15 Вольт:

При этом не имеется в наличии системы отключения нагрузки по окончанию процесса, что обязательно для режима быстрой зарядки. А это нехорошо скажется на долговечности аккумулятора и с каждым циклом будет сильно уменьшать оставшийся ресурс и срок службы. Данное зарядное устройство планировалось использовать для зарядки герметичного AGM-аккумулятора фирмы "Panasonic" для которого рекомендованное напряжение буферного режима составляет 13,6-13,8 Вольт:

Было принято решение попробовать переделать зарядное устройство, так как зарядка батарей таким режимом нежелательна. Правда устройство имеет два индикаторных светодиода - красный для индикации напряжения на выходных клеммах, и зелёный для предупреждения о снижении зарядного тока ниже определённой величины и следовательно достижения на аккумуляторной батарее максимального потенциала. Но так как зарядка в таком случае не прекращается, то если вручную не отключить устройство от сети, батарея всё последующее время будет находится под высоким потенциалом, что в свою очередь вызовет газообразование в электролите и этим самым будет происходить преждевременное быстрое старение аккумулятора.

Блок зарядного устройства был разобран для изучения элементов стабилизации и/или ограничения максимального выходного напряжения и оценки возможности коррекции электрических параметров. После разборки и быстрого внешнего осмотра стало понятно, что заявленные на этикетке параметры явно завышены и блок не в состоянии долговременно обеспечивать указанный в 4 А зарядный ток и рассеивать мощность 58 Вт. Охлаждающие радиаторы на микросхеме преобразователя и на выпрямительном диоде слишком малы, даже с учётом вентиляционных щелей на верхней крышке корпуса. Также вторичная обмотка трансформатора, хоть и секционная и состоит из нескольких параллельно соединённых обмоток, всё равно суммарная площадь сечения получается маленькой для обеспечения такого большого тока:

Сразу после разборки был заменён мощный низкоомный резистор, так как старый весь обуглился и рассыпался. Вместо него был подобран и установлен самодельный проволочный резистор такого номинала, чтобы зарядный ток в начале зарядки не превышал 1,5 Ампер. Так же были удлинены выводы индикаторных светодиодов, так как они не доставали до отверстий в корпусе:

Далее нужно было освободить плату от корпуса и произвести зарисовку фрагмента стабилизирующего звена устройства. Делается это простым выниманием платы из нижней части и вытаскиванием вилки, которую удерживает небольшая пластмассовая защёлка. Не нужно ничего отпаивать, и на самом деле это оказалось очень удобным. Следует просто освободить защёлку, а вместе с ней и вилку, проводами припаянную к плате:

После освобождения платы и возможности её свободного вращения в руке, для осмотра и проведения анализа, можно зарисовать нужный участок схемы с указанием номиналов установленных радиоэлементов. Сверху платы сразу бросается в глаза интегральный стабилизатор TL431, от обвязки которого и зависит уровень выходного напряжения, а точнее его максимальное значение, так как под нагрузкой во время процесса зарядки выходное напряжение будет проседать из-за сопротивления последовательно установленного низкоомного шунта:

Получилось зарисовать и далее начертить фрагмент вторичной цепи преобразователя зарядного устройства после трансформатора. Схема является стандартной для большинства импульсных источников питания и подстройка уровня выходного напряжения не составит труда для радиолюбителя. Позиционные номера радиокомпонентов совпадают с маркировкой на плате:

Зелёным цветом выделены резисторы, от которых зависит напряжение стабилизации и максимальный ток зарядки. Резисторы R7 и R8 составляют делитель выходного напряжения для интегрального стабилизатора TL431, и от них зависит его уровень. Подбором резистора R8 можно менять это значение в некоторых пределах. А изначально обугленный резистор токового шунта, имеющий сопротивление 1 Ом и в последствии заменённый на резистор более высокого сопротивления, по всей видимости предназначен для ограничения выходного тока, а так же служит датчиком для системы определения и индикации процесса зарядки, которая в данном случае нас не интересует.

На сайте "Паяльник" имеется калькулятор для расчёта сопротивления резисторов делителя стабилизатора TL431 "TL431 калькулятор". Введя исходные данные можно легко и просто определить нужные сопротивления под определённые характеристики. Нам в данном случае легче подобрать одно из плеч делителя, а именно резистор R8, составляющий верхнее плечо и в оригинале имеющий сопротивление 23,2 кОм. Пересчитав данные калькулятором под выходное напряжение 13,8 Вольт получается значение сопротивления указанного резистора 21,3 кОм:

Но вместо того, что бы менять установленный на плате резистор, Мы поступим по другому, и к уже имеющемуся резистору параллельно установим резистор такого сопротивления, что-бы общее сопротивление двух параллельно установленных резисторов было равно необходимому, ранее рассчитанному, сопротивлению верхнего плеча. Для расчёта общего сопротивления параллельно соединённых резисторов на сайте так же имеется удобный калькулятор "Параллельное соединение резисторов". Подставив одно, имеющееся значение, и подбирая другое можно определить каким должно быть сопротивление второго, параллельно устанавливаемого резистора, для получения необходимой величины. В нашем случае это значение составило 270 кОм:

На подкорректированной схеме красным цветом отмечены внесённые изменения. Как уже ранее упоминалось, резистор шунта Мы установили с сопротивлением в два Ом, а добавленный новый резистор на 270 кОм обозначен на схеме как R new:

На самой плате устройства параллельно резистору R8 был припаян резистор с гибкими выводами на сопротивление 270 кОм, а места пайки и вся плата были тщательно зачищены спиртом:

После доработки и подключения к сети выходное напряжение без нагрузки составило 13,7 Вольт, что является в пределах нормы максимального напряжения буферного режима зарядки свинцовых аккумуляторных батарей с рабочим напряжением в 12 Вольт:

Рекомендованный зарядный ток такого режима в процессе зарядки не должен превышать 20-30% от значения ёмкости аккумулятора, и в данном случае составил примерно 1 Ампер:

В конце зарядки зажигается зелёный светодиод и зарядный ток падает до 0,1 Ампер. В таком состоянии аккумулятор можно оставить без присмотра, не опасаясь что произойдёт перезаряд и закипание электролита:

Доработка оказалась несложной и в любой момент можно вернуть прежние параметры просто отпаяв добавленный резистор. В процессе эксплуатации и продолжительной работы зарядного устройства было замечено значительное снижение температуры корпуса по сравнению с предыдущим вариантом, а весь процесс зарядки занимал примерно 8 часов. На информационной наклейке красным маркером были замазаны выходные параметры, которые уже не актуальны, а при надобности маркер легко можно стереть спиртом:

В следующих статьях будет рассмотрен многофункциональный измерительный прибор для мониторинга параметров заряда/разряда аккумуляторов и переделка обычного двенадцативольтного импульсного блока питания под зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторных батарей с добавлением в схему узла стабилизации зарядного тока и индикатора зарядки.

Многофункциональный измеритель параметров заряда/разряда аккумуляторов

Теги:

• ИБП