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]

М-да, я упустил еще один момент из виду... Вы что-то о батарее из нескольких аккумуляторов упомянули. Возможно, речь о 24 или 48-вольтовой системе.
Так вот, если зарядка сделана без балансировки емкости отдельных аккумуляторов, то вздуваться-скисать батареи будут регулярно. 5-6 полных циклов разряда и явление вылезает на поверхность. Специальные меры нужны.

А "кушать перед смертью больше" - такого просто не может быть потому что не может быть никогда. Съесть-то она может и съест, да только какой же нормальный зарядник ей больше положенного даст?
Извините, одни присказки получились, но это так.
Копеечная схемотехника "готовая" есть? Ну кто же возразит, если бы она только работала как следует. Вам решать.

[PCBExp]

2 Microwatt
Когда я говорил про копеечную схемотехнику, я имел виду защиту от зависания МК. В большинстве случае хватает собственного WDT но на всякий случай снаружи вешается еще один WDT

2 SKov
Предложите что-нибудь лежащее на складе по цене ниже чем 0.9$ - буду только рад. Я в самом начале написал что мы его уже используем и покупаем тысячами. Выбор обусловлен только этим.
С блоком питания все просто. Вы почти правы. На борту железки (здоровенная плата 6 слоев - если интересно могу выложить фото) есть собственный блок питания мощей 10ватт. Он дает 2 раза по 16 вольт на основную схему и на изолированные интерфейсы. Есть возможность установить дочку с потребителями поболее чем 10 ватт. У заказчика такие идеи бродят. Поэтому в корпусе предусмотрено место для безкожухного блока питания который выдает до 24 вольт с током 1А. Заказчик указал на китайские образцы которые выдавали 18 или 24 вольта. Но они были на 1 плечё. Мы его идею пока "отмели" но закладывать в схему ограничение не позволяющее использовать питание на 24 вольта нельзя!

Снижать напругу до 14.5-15 проблематично. На борту есть схема подключения дымных датчиков 4-20 mA. Некоторым и 16 мало может быть.

По поводу взрыва аккумулятора 2.2Ач 12 вольт я возможно преувеличил. Мы действительно с этим не встречались. Аккумуляторы умирали от сильного разряда. Проседали вольт до 9 и не заряжались выше 10.5. Отстояв на 200 mA весь день они потом проседали до 9 за несколько минут. Наверняка нагрева при этом не было. С этим случаем мы справились. А вот про взрыв от перегрева нам заказчик рассказал. Иметь защиту на этот случай (если она будет всего лишь функцией реализованной в МК и несколько пассивных чип элементов) очень хочется. Будет совсем грустно если в устройстве следящим за серверами случится то же самое.

То что взрываются кислотники у заказчика я доказать не смогу. Про пожары я не помню чтобы писал. Сам взрывы не видел, но рассказы про них слышал. ТЗ как таковое есть но показать я его Вам тоже могу. Назвать заказчика не могу. Дай бог всем таких заказчиков....Ваше право не верить.

Но если всетаки предположить что наш маленький аккумулятор действительно нагреется перед смертью на 5-10 градусов то выловить этот момент и выдать предупреждение - святая обязанность. Потому что при пропадании основного питания все выключится и потекут убытки...

И судя по изложенной информации, довесок этот совершенно бесполезен, поскольку никакой власти над теми УПС не имеет. Разве что, с его помощью можно впоследствии точно уставить, какой конкретно аккумулятор в очередной раз раскидал по ДЦ скольскую слизь, но даже в этом случае неоднократный подсчёт копеек здесь совершенно неуместен, поскольку абсолютно не соответствует масштабу финансовой ёмкости задачи.

Вы абсолютно правы - власти никакой нет. Нагрев до бабаха протекает за несколько минут. Этого времени инженерам заказчика хватает чтобы добежать до серверной (видимо они сидят рядом) и быстро выдернуть этот блок. Они его выбрасываю на пол, быстро закрываю дверцу в шкаф и в принципе все (я так понял) . Если все таки испачкает что-то то не в шкафу.

[SKov]

2 SKov
Предложите что-нибудь лежащее на складе по цене ниже чем 0.9$ - буду только рад. Я в самом начале написал что мы его уже используем и покупаем тысячами. Выбор обусловлен только этим.

Меньше 0.65$ с АЦП на борту сейчас не могу припомнить
http://www.compel.ru/infosheet/MCRCH/PIC12F675-I%2FSN/

С блоком питания все просто. Вы почти правы. На борту железки (здоровенная плата 6 слоев - если интересно могу выложить фото) есть собственный блок питания мощей 10ватт. Он дает 2 раза по 16 вольт на основную схему и на изолированные интерфейсы. Есть возможность установить дочку с потребителями поболее чем 10 ватт. У заказчика такие идеи бродят. Поэтому в корпусе предусмотрено место для безкожухного блока питания который выдает до 24 вольт с током 1А. Заказчик указал на китайские образцы которые выдавали 18 или 24 вольта. Но они были на 1 плечё. Мы его идею пока "отмели" но закладывать в схему ограничение не позволяющее использовать питание на 24 вольта нельзя!

С точки зрения разработчика зарядки для аккумулятора это все абсолютно не интересно.
Все что вы написали не отменяет необходимости выбрать один из вариантов и четко написать в ТЗ:
1) Входное напряжение зарядника аккумулятора - такое-то.
2) Или можно написать про диапазон входных напряжений.
Всю остальную лирику надо опустить, чтобы не пугать исполнителя лишней информацией,
которая к нему не имеет никакого отношения.

Снижать напругу до 14.5-15 проблематично. На борту есть схема подключения дымных датчиков 4-20 mA. Некоторым и 16 мало может быть.

Вы не поняли. Я говорил о том, как должна быть устроена зарядка 12-вольтового аккума.
Все остальное мне(разработчику зарядки) неинтересно.
Именно в зарядке должны быть две ступени. Первая снижает напругу до 15 вольт и т.д.
При таких маленьких токах зарядки можно подумать даже о линейных стабилизаторах из 24 в 15.
А если есть исходные 16, то тут без вариантов ничего имульсного городить не надо.

По поводу взрыва аккумулятора 2.2Ач 12 вольт я возможно преувеличил. Мы действительно с этим не встречались. Аккумуляторы умирали от сильного разряда. Проседали вольт до 9 и не заряжались выше 10.5.

Обычно разряд надо прекращать при напряжении около 11 вольт.

А вот про взрыв от перегрева нам заказчик рассказал. Иметь защиту на этот случай (если она будет всего лишь функцией реализованной в МК и несколько пассивных чип элементов) очень хочется. Будет совсем грустно если в устройстве следящим за серверами случится то же самое.
Нагрев до бабаха протекает за несколько минут.

У вашего заказчика какая-то каша в ТЗ и, извините, в голове.
Уже вроде все разжевано: при зарядке аккумулятора исправным зарядником не может происходить перегрев акк-ра.
Для танкистов - составителей ТЗ можно это сказать другими словами:
защита аккумулятора от перегрева - это совсем другая задача и совсем другое ТЗ.
Очевидно, если есть перегрев аккумулятора, то это связано с его перегрузкой по току.
(Эту нетривиальную мысль дарю бесплатно вашему заказчику )
Перегрузка может иметь две природы: внешняя перегрузка по току (лечится ограничением тока разряда.)
И внутренняя перегрузка при внутреннем КЗ аккумулятора (лечится сменой типа акк-ра или поставщика.)
Суда по вашим ответам, "лучше бы вам нанять кого-нибудь из специалистов" (с)Микроватт