КПД зарядки аккумулятора (свинцового), Теория зярядки, схема и расчет кпд Опции

[Max_Shaman]

Здравствуйте All.

Меня недавно заинтересовала, такая тема как расчет КПД зарядки аккумулятора. Из того что мне известно в электротехнике по базовым элемента (дросель, трансформатор, конденсатор и т.д.), я сделал вывод что процесс зарядки аккумулятора это чисто токовый процесс, из прочтенной литературы по аккумуляторам известно, что для достижения оптимального КПД зарядки, я имею ввиду энергетический КПД, аккумуляторы заряжают током определенного для аккумулятора номинала (обычно 10 - 16 часовой режим при токе в 10 раз меньше, чем рекомендованный ток разряда). В случае крайностей: зарядки большим током - химический процесс не успевает аккумулировать(эффективно выполнять работу по перестройке хим. связей) всю энергию электронов в своей емкости и большая часть электронов проходит не совершив работу, а при очень маленьком токе, идет уже конкуренция с само-разрядным процессом аккумулятора, плюс некоторые особенные нелинейности тока заряда под конец зарядки для лучшей эффективности. В основном, скорость зарядки прямо пропорциональна току, но имеет свой оптимальный режим. Теперь если забыть реальные характеристики зарядки аккумулятора, а упростить понимание аккумулятора, как о некой черной коробочке, можно приступить к вопросам.

Вопрос первый,по энергетическому КПД, которое можно вычислить зная потраченную мощность из источника питания заряжавшего наш аккумулятор и мощность отданную аккумулятором в процессе разряда на нагрузку, какой он обычно для самого лучшего и свежего аккумулятора ??? И насколько поднимается эффективность заряда если заряжать аккумулятор через линейный стабилизатор тока выполненный на биполярном транзисторе или импульсным методом используя дросселя в качестве ограничения тока (в импульсном режиме) ?

Дополнительный вопрос: допустим, что для заряда 12-ти вольтового аккумулятора , от блока питания 16 вольт, в простейшем случае для ограничения тока хочу использовать обычное сопротивление нужной тепловой мощности рассеяния(чтоб не дымилось), ограничить ток допустим в этом примере на 5 А . Зная по справочным данным сопротивление нашего аккумулятора варируется от 0.5 - 0.01 ома в зависимости от процента заряжености, поэтому при расчете ограничивающего сопротивления я пренебрегаю номиналом омического сопротивления самого аккумулятора. Высчитанное сопротивления будет равно (16-12) / 5 = 0.8 ома. Разность потенциала зярядки 4 вольта, эти 4 вольта присутствуют на концах нашего токо-ограничивающего сопротивления и поэтому при токе 5 А мощность выделяемая в тепло током зарядки аккумулятора будет равна 20 ваттам. Как считается КПД заряда?

Я знаю два расчета: расчет первый : ток заряда, возникший в цепи соединений аккумулятора и блока питания, возник из-за относительной разности потенциалов равного 4 вольтами, следовательно мощность растрачиваемая блоком питания на заряд аккумулятора будет равна 20 ваттам, то есть - 4 вольта * 5 ампер ? Тогда КПД передачи энергии от зарядки аккумулятора блоком питания, до съема энергии нагрузкой уже непосредственно от аккумулятора, будет зависеть только от эффективности химического процесса зарядки ? + Тепло от сопротивления получаем в подарок. В итоге КПД зарядки аккумулятора зависит - только эффективности химического процесса ?
Другой расчет: где растраченная мощность блока питания берется из расчета напряжения источника питания заряжавшего аккумулятор 16 вольт * 5 A, в итоге получаем 80 ват потребления цепью от блока питания, еще от этого вычитается мощность выделенная на ограничивающем сопротивлении (это наши 20 ватт), в результате эффективная мощность дошедщая до аккумулятора не может быть больше 60 ват, ну еще от этой мощности надо отнять эффективность процесса зарядки, в итоге получаем всегда меньше или равно 50 процентов всей энергетической эффективности использования аккумуляторов вообще и естественно, после этого встает вопрос о применении в схемах заряда, вместо обычных сопротивлений - импульсных схем заряда, в которых индукционные элементы компенсируют потери мощностей, которые имели место на ограничивающем сопротивлении. Во втором расчете, мне не нравится расчет потерянной мощности на ограничивающем сопротивлении, в этом случае сопротивление выполняло лишь роль узкого канала ограничивающего лишь скорость перетекание зарядов от блока питания к аккумулятору(ток), и по моему в случае с аккумулятором (не реактивный элемент), "потерянная мощность " выделенная в виде тепла на сопротивлении считаться не должна ?!? Какой расчет ближе к ИСТИНЕ ?



Большую лабораторию не имею и не отслеживал эволюцию и их причины совершенствования зарядных устройств. Так что проверить на практике даже такие примитивные схемы пока не могу.

[GPelya]

Уважаемый Max_Shaman.

Если я правильно понял вопрос
И если допустить что напряжения на аккумуляторе не меняется в процессе заряда и равно 12 В.
Потребляемая мощность вашей схемы рассчитывается просто.
Напряжение на резисторе Ur = 16 - 12 = 4 В
Ток в цепи I = 4 / 0.8 = 5 А
Мощность выделяемая в тепло на сопротивлении равна 4 * 5 = 20 Вт
Мощность потребляемая аккумулятором на зарядку равна 12 * 5 = 60 Вт
Эти 60 Вт состоят из полезной энергии которая сохраняется в аккумуляторе и части потерь зависимых от КПД аккумулятора.
То есть с источника питания эта схема потребляет 20 + 60 = 80 Вт.

[Max_Shaman]

Я немного запутался в процессе заряда видимо. Насколько я уверен в то, что работа по заряду аккумулятора производится током в цепи, этот ток возник из-за разности потенциалов между ними (плюсовые потенциалы) - это наши 4 вольта, поэтому скорости протекания тока зарядов обусловленны лишь этим ЭДС. Поэтому немного непонятен вас расчет, хотя с математической точки зрения все сходится.
Если например взять, вместо блока питания конденсатор на допустим 100 Мкф и зарядим его до напряжения 16 вольт, по формуле E=(CU^2) / 2, мы знаем его начальную энергию это ((16*16)*0.0001) / 2 = 0.0128 Вт. После подключения конденсатора на аккумулятор через зарядовое сопротивление, через время R*C - напряжение на конденсаторе станет равным напряжению на аккумуляторе и будет равно 12 вольт, теперь можно снова посчитать энергию на конденсаторе, это будет ((12*12)*.0001) / 2 = 0.0072 ватт. Уже этот пример показывает, что рассчитывать мощность растрачиваемую блоком питания по формуле 16 вольт * 5A, как-то неправильно, ведь реально отобранная мощность, если выразить в процентах в показательном случае с конденсаторами, будет равна 43.75 процента от начальной энергии. Значит вместо 80 ватт, физически будет тратится лишь около 35 ват с блока питания, а еще у вас тратится на резисторе 20 ват. Теперь вопрос, что остается для зарядки 35 ват источника - 20 ват на сопротивлении, итого 15 ват нв аккумулятор остается, плюс еще вычтем процентов так 10 от этих 15 ват, в знак глубокого уважения химическому процессу аккумулятора ? В итоге получаем что за 16 часов, при расчете таким-вот вашим методом все зарядится лишь на 240 ват обшей энергии, а значит надо будет еще заряжать до полной емкости 48 часов ???
Возможно лишний просчет реальных потенциалов на источнике питания и аккумуляторе просто не нужен, а нужен только лишь тот относительный от которого протекает действительный ток ???


Из расчетов видно, что с блока питания тратится примерно 35 ват, если посчитать по ватам то за 16 часов получим общую мощность прошедшую через аккумулятор = 560 ват, что очень близко стоит к посчитанной мощности 12 вольтово 50 амперного аккумулятора, но все тоже не похоже на правду. На правду не похоже так же то что если считать по мощности на сопротивлении - мощностью заряда аккумулятора, то за 16 часов получится вообще 320 ват.