Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур
Аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но их зарядка является несколько более деликатным процессом и требует особых условий и внимания. Крайне холодная или наоборот жаркая температура уменьшают способность к зарядке, следовательно, важным аспектом эффективности зарядного процесса является обеспечение умеренной температуры аккумулятора и окружающего пространства.
Такие электрохимические системы, как свинцово-кислотная и никель-кадмиевая, имеют более высокие допуски зарядки в сравнении с новыми системами. Это позволяет производить их зарядку даже при температуре ниже точки замерзания воды, но в таком случае требуется снизит скорость заряда (использовать меньший С-рейтинг). К слову, никель-кадмиевые аккумуляторы более устойчивые к холодной зарядке в сравнении с родственными никель-металл-гидридными.
В таблице приведены допустимые температуры для зарядных и разрядных процессов обычных аккумуляторных батарей. В таблице не учтены специальные аккумуляторы, оптимизированные под эксплуатацию вне стандартного диапазона температур.
Допустимые пределы температур различных электрохимических систем аккумуляторов. Аккумуляторы могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но для зарядных процессов этот диапазон меньше. Для достижения наилучшей производительности во время зарядки используется диапазон от 10оС до 30оС. В случае зарядки при холодных температурах зарядный ток следует уменьшить.
Зарядка аккумулятора при низких температурах
Возможность быстрой зарядки для большинства аккумуляторов ограничена диапазоном от 5оС до 45оС. Лучшие показатели достигаются в диапазоне от 10оС до 30оС, так как в аккумуляторах на основе никеля при температуре ниже 5оС теряется способность к рекомбинации водорода и кислорода. И если заряжать большой силой тока аккумулятор при такой температуре, то будет возрастать внутреннее давление, что в конечном итоге может привести к истощению электролита или даже повреждению аккумулятора. Поэтому следует уменьшить скорость зарядки всех аккумуляторов на основе никеля до 0,1С при отрицательных температурах.
Зарядное устройство для аккумуляторов на основе никеля, включающее функцию обнаружения полного заряда, по изменению напряжения может предлагать некоторую защиту при "холодной" зарядке - поведение аккумулятора при холодной температуре напоминает поведение полностью заряженного. Это отчасти вызвано повышением внутреннего давления из-за снижения способности к рекомбинации газов. Повышение давления и падение напряжения при полном заряде по сути является одним и тем же сигналом для такого зарядного устройства.
Для доступности быстрой зарядки независимо от окружающей температуры, в некоторых промышленных образцах аккумуляторов используется специальное термическое "одеяло", которое нагревает аккумулятор до приемлемой температуры; в других случаях, зарядные устройства дополняются специальной функцией, которая анализирует температурные показатели и выбирает необходимую зарядную силу тока. Обычным пользователям такие возможности, к сожалению, недоступны, поэтому очень строго рекомендуется проводить зарядку только при комнатной температуре.
Свинцово-кислотные аккумуляторы довольно простительно относятся к экстремальным температурам зарядки, примером такого отношения может служить эксплуатация автомобиля, оборудованного стартерным аккумулятором. Такая простительность отчасти объясняется природным вялотекущем поведением этой электрохимической системы. Рекомендуемая скорость "холодной" зарядки составляет 0,3С, что практически идентично скорости при нормальных условиях. При умеренной температуре 20оС газообразование начинается при достижении напряжения 2,415В на элемент, а при -20оС это пороговое напряжение возрастает до 2,97 В на элемент.
Замерзание свинцово-кислотного аккумулятора приводит к необратимым последствиям. Всегда храните аккумуляторы полностью заряженными, так как в разряженном состоянии в электролите больше воды, и, следовательно, он раньше замерзнет. Для сравнения, температура замерзания электролита с удельной плотностью 1,15 составляет -15оС,а 1,165 (что соответствует полностью заряженному состоянию) - -55оС. Обслуживаемые аккумуляторы после замерзания, как правило, имеют повреждения корпуса и протекают, а герметичные, хоть корпус и цел, настолько теряют в характеристиках, что их хватает только на несколько циклов.
Литий-ионные аккумуляторы имеют довольно неплохие зарядные характеристики при прохладных температурах, и диапазон температур, годящихся для быстрой зарядки, составляет от 5оС до 45оС. При температуре ниже 5оС ток зарядки должен быть уменьшен, а при температуре ниже нуля никакая зарядка уже не допускается. Во время зарядных процессов внутреннее сопротивление может вызывать некоторое повышение температуры, которое, в свою очередь, может компенсировать часть низкой окружающей температуры. Повышение внутреннего сопротивления при холоде присуще всем электрическим батареям.
Многие потребители не знают, что стандартные литий-ионные аккумуляторы не могут заряжаться при температуре ниже 0оС. Дело в том, что в таких условиях возможно необратимое оседание металлического лития на аноде. Аккумулятор с таким "наследием" станет крайне чувствителен к вибрации и другим механическим воздействиям. Продвинутые зарядные устройства имеют функцию ограничения зарядки исходя из температурных условий.
Проводятся исследования в сфере "холодной зарядки" литий-ионных аккумуляторов. Доподлинно стало известно, что зарядку все-таки можно проводить, но крайне малыми значениями зарядного тока. Безопасная скорость зарядки при -30оС составляет 0,02С, и чтобы полностью зарядить аккумулятор потребуется около 50 часов. Несколько непрактично, не правда ли? Существуют также и специальные литий-ионные аккумуляторы, оптимизированные под "холодную" зарядку и имеющие приемлемую скорость.
Зарядка аккумулятора при высоких температурах.
Перегрев является злейшим врагом всех электрических батарей, в том числе и свинцово-кислотных. Есть информация, что использование устройства с функцией корректировки температурных колебаний позволяет увеличить срок службы свинцово-кислотного аккумулятора на 15%. Рекомендуемым изменением напряжения является снижение на 3мВ за каждый градус превышения нормальной температуры. Если напряжение подзарядки установлено на 2,3 В при 25оС, то при 35оС оно должно составлять 2,27 В. Тот же принцип действует и при понижении температуры, следовательно, при 15оС рекомендуемое напряжение подзарядки будет 2,33 В. Шаг в 10оС подразумевает изменение напряжения в 30мВ.
В таблице показаны оптимальные пиковые значения напряжения при различных температурах для свинцово-кислотных аккумуляторов. Также в таблице указываются рекомендуемые значения напряжения поддержания заряда.
Рекомендуемые пределы напряжения при режимах зарядки и поддержания заряда свинцово-кислотных аккумуляторов.
Указанный механизм компенсации напряжения позволяет продлить срок службы аккумулятора при экстремальных температурах.
Зарядка аккумуляторов на основе никеля при высоких температурах вызывает снижение генерации кислорода, что уменьшает способность к приему заряда. Также излишнее тепло сбивает с толку зарядное устройство, которое фиксирует несуществующий полный заряд.
На рисунке ниже показано довольно сильное снижение эффективности зарядки при 30оС относительно "линии 100-процентного КПД". При 45оС аккумулятор может поглотить только 70% энергии, а при 60оС - уже только 45%. Методы обнаружения полного заряда, основанные на фиксации изменений напряжения, при высоких температурах становятся ненадежными.
Эффективность приема заряда никель-кадмиевыми аккумуляторами в зависимости от температуры окружающей среды.
Высокая температура уменьшает эффективность зарядки, это можно увидеть по отклонению от "линии 100-процентного КПД". При 55оС NiMH аккумулятор имеет эффективность зарядки на уровне 35 - 40 процентов; более продвинутые промышленные версии могут достигать 75 - 80 %.
Литий-ионные аккумуляторы показывают неплохую производительность при повышенных температурах, но длительное воздействие такого фактора может привести к снижению долговечности. Условия эксплуатации некоторых аккумуляторов на основе лития могут предполагать постоянное или частичное соприкосновение с высокими температурами. Это может относится к аккумуляторам различных хирургических устройств, которые нуждаются в 20-минутной стерилизации при температуре 137оС. Такие же условия могут возникать в сфере добычи и производства газа и нефти, где также широко используются аккумуляторная техника.
Потери емкости при повышенных температурах находятся в прямой связи с используемой степенью заряда. На рисунке показано поведение литий-кобальтового (LiCoO2) аккумулятора, к которому применялись обыкновенная зарядка при стандартных температурах и 90-минутная зарядка при 130оС до степени в 20, 50 и 100%.Как видим, при стандартных температурах потери ёмкости несущественны. При высокотемпературной же эксплуатации, 20-процентная степень заряда обеспечит небольшую потерю ёмкости после 10 циклов. Эти потери заметно больше при 50-процентной степени заряда, а при 100-процентной имеют разрушительный характер:
Потери ёмкости при комнатной температуре и при 130оС. Стерилизация хирургических приспособлений, имеющих аккумулятор, должна проводится при их низкой степени заряженности.
