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.

[Microwatt]

Это УПС на 4-5 ватт с выходм 12 вольт, как я понял. Сетевой источник 16.3-24 вольта уже имеется.
Все это делается давно и успешно без всяких МК. Ему тут просто нечего делать, разве что моргать светодиодами. Единственное -показывать пропажу сети чем, кому и куда нужно? Может, тут, для стопроводного бильд-телеграфа с пометкой "срочно" МК и нужен...

Нужно сделать зарядник на 200мА, головной стабилизатор 24-12 и разрядный 10-12. Плюс монитор батареи для исключения глубокого разряда и кой-какую диодную логику.

Автономно измерять потребляемый и зарядный ток - ИМХО - лихачество, никто же на это смотреть неотрывно не будет. Объективно это вряд ли нужно.
"Накачивать сильнее-слабее" - тоже чисто умозрительная выдумка, как и проблемы с переключением без "моргания", одновременном питании от сети и батареи.
"Сон" - слабое место. Но в 1мА вполне можно уложиться.
"Взрывание" - не устраните Вы никак. Главное - успокоиться на том, что не по Вашей вине. Заряжали правильно, а если кто-то установил батарею в стойку с температурой 150С, так тут все повзрывается. Вы же никак командой МК "Cool #50C, PORT A.2" охладить ее не можете?

В сто слов, к сожалению, все схемотехнические вопросы не описать.

[PCBExp]

Наше устройство мониторит удаленный, обслуживаемый, но чаще всего безлюдный объект. Пропажа сети нужна основному устройству чтобы как минимум предупредить удаленный сервер о возможно скором окончании работы. По GPRSу идут не транзакции конечно, но коммерчески ценная информация. Информация не потеряется даже если все обесточится, но восстановление и вычитывание ее занимает время и стоит денег. Если можно предотвратить эту ситуацию и в течении часа приехать и запустить например запасной источник то это большой плюс.

По поводу реально закачиваемого тока все не просто. Если аппаратное ограничение стоит на 200 миллиампер , то реально будем вкачивать 140. Когда у кислотника начинается неуправляемый фатальный разогрев то за пару минут он начинает сосать из источника значительно больше потом бабах! Если его за эти 2 минуты успеть тормознуть - просто сняв зврядку, то по крайней мере не придется чистить, а иногда и менять стальной корпус всего устройства. Ну и плату отмывать от того г... не придется. Этот плюс еще больше!

Изменение интенсивности PWM есть у большинства специализированных чипов. По крайней мере тех, что попадались мне. Может не всегда используется , но опция есть у всех.

К сожалению просто успокоиться что не по нашей вине сейчас уже не получается. Есть конкуренты импортные, которые говорят , что у них точно не случится и дают гарантию. При прочих равных в следующий раз просто выберут их железку. На пробу или пилотную партию, но это уже совсем большой минус. Надо изворачиваться. Предотвратить врыв как оказалось можно - читайте выше. Это не наше выдумка а практически ТЗ от заказчика они наэкспериментировались вдоль и поперек. Наш аккумулятор просто игрушка. У них используются наборные блоки по 18 кг. Не гексоген конечно, но когда случается "бабах" там уже все не смешно...

Вот такой камушек стоит http://www.compel.ru/infosheet/ST/STM32F100C4T6B/ около 0.9$ Мы их пользуем и покупаем тысячами, поэтому хотим и сюда вставить.

Сообщение отредактировал PCBExp - Dec 28 2012, 10:14

[Microwatt]

По поводу реально закачиваемого тока все не просто. Если аппаратное ограничение стоит на 200 миллиампер , то реально будем вкачивать 140. Когда у кислотника начинается неуправляемый фатальный разогрев то за пару минут он начинает сосать из источника значительно больше потом бабах!

Если убрать надуманные страхи и сложности, то все там предельно просто!
Ток заряда батареи это не напряжение на диоде, где нужно иметь 30% запас для надежности . Это то значение, которое нужно обеспечить. 220 мА, желательно (но не всегда, можно иногда и ампер, если хорошо понимаете свинцовую систему) для батареи в 2.2 Ач
Батарея не может ничего "кушать" больше того, что ей зарядник дает. Никаких фатальных разогревов в батарее при сем не может быть кроме как поставить ее на электроплитку или замкнуть накоротко.
Скорее всего, причины страшных бабахов - в применении МК. В какой-то момент он зависает и гонит в батарею что попадя.
Пишут программы у нас все, а отлаживать системы едва ли кто теперь умеет.

[PCBExp]

Я бы с Вами подискутировал, но мы похоже сваливаемся в оффтоп.

Про 220mA согласен полностью. Это рекомендуемые 10% для 2.2Ач, но мы предпочитаем вкачивать чуть меньше. У нас еще много потребителей сидят на этом плече БП. Некоторые из них могут начать потреблять больше для дела.
Перед смертью батарея может кушать больше. Видимо что-то происходит с отдельной банкой например в ней возникает короткое и ток возрастает. Растет температура и появляется запах (мягко говоря)
Аккумуляторные блоки производит APC. Модель называется Simmetra. Моделей толпа. Выглядят они по разному. В них есть место под свой контроллер мониторинга но в наличии его нет.
Безусловно, от зависания защита должна быть, но с этим мы справимся. Есть отлаженная копеечная схемотехника - как раз для подобных случаев.


Может кто делал что-то подобное интересует практический опыт. Повторять на контроллере BQ24702 самое простое. Может до чего не догадались нужного на практике?