Быстрая и безопасная зарядка аккумуляторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

Любой радиолюбитель умеет быстро зарядить аккумуляторную батарею, но может ли он сделать это без риска взрыва, чрезмерного перегрева или фатального повреждения, сокращающего срок службы батареи?

Многие компании владеют технологиями быстрого заряда батарей, в основе которых, как правило, лежит использование специальных алгоритмов. Эти алгоритмы основаны на учете химического состава батареи и использовании некоторых нестандартных режимов заряда. Сегодня многие производители оборудования и операторы беспроводной связи дают на смартфоны не менее двух лет гарантии, устанавливая ресурс аккумулятора равным 800 циклам перезаряда.

Я видел достаточно много, если не все, опубликованные производителями результаты тестов ускоренной зарядки популярных типов аккумуляторов. Одним их таких производителей является Chargetek. Эта компания, совместно с Potential Difference, сумела за 25 минут безопасно вернуть в батарею 51% ее заряда. Их методика основывается на уже апробированных патентах, химических анализах и подтвержденных всесторонними испытаниями наиболее важных аспектах технологии быстрого заряда.

Технология компании применима к широкому диапазону батарей, от литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650 до батарей емкостью 20,000 А·ч. Эта технология подходит и для свинцовых аккумуляторных батарей, таких, например, как Absorbent Glass Mat, а также для необслуживаемых герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Методику можно использовать и для быстрой зарядки литий-кобальтовых или литий-железо-фосфатных аккумуляторов.

Я общался с Лу Жозефом (Lou Josephs), генеральным директором Chargetek, и мы обсуждали необходимость адаптации их программного обеспечения под приложение каждого потребителя. Одним из важных достоинств их запатентованного и проверенного алгоритма является то, что они способны одним зарядным устройством заряжать два больших батарейных блока. Каждый блок может иметь независимое регулирование.

Одновременная зарядка

Жозеф объяснил, как это работает:
Зарядное устройство имеет два порта, по одному на каждых блок батарей. Блок 1 и блок 2 поочередно заряжаются и разряжаются. На Рисунке 1 кривая напряжения обозначена зеленым цветом, кривая тока заряда красным, а разряда – фиолетовым.

Нарастание напряжения происходит при заряде. Спад характеристики показывает уменьшение напряжения при разряде. Плоская область соответствует периоду покоя в цикле заряда. Благодаря запатентованному алгоритму амплитуда положительного тока заряда может в 3-4 раза превышать значения, используемые в обычных зарядных устройствах.

Рисунок 1.	Батарея 1 и Батарея 2 поочередно заряжаются и разряжаются. На рисунке кривая напряжения обозначена зеленым цветом, кривая тока красным и кривая тока разряда – фиолетовым цветом.

Принятый в качестве промышленного стандарта метод расчета тока заряда базируется на емкости батареи, измеряемой в ампер-часах (A·ч) и обозначаемой буквой С. Например, если емкость аккумуляторной батареи равна 500 А·ч, то зарядный ток должен лежать в пределах C/3 … C/5, что в результате дает диапазон токов заряда 100 … 170 А. Эти величины могут различаться в зависимости от характеристик конкретной батареи.

Для этого конкретного случая ток заряда был бы установлен равным 2С (1000 А), что при рабочем цикле 50% соответствует емкости С или 500 А. Ток разряда слегка уменьшает это значение. В результате время заряда составило бы примерно 1.1 час. Это в 2-3 раза быстрее того, что достижимо с обычным зарядным устройством. При использовании обычного зарядного устройства ток заряда будет ограничен максимальным значением C/3 или 170 А.

С учетом того, что одно зарядное устройство используется для двух батарей, экономия в стоимости может быть весьма существенной. В дополнение к этому, одновременно могут заряжаться, как минимум, два блока батарей. В целом, наше устройство может заряжать в четыре раза больше батарей, чем обычное зарядное устройство.

Ограничения для батарей во время цикла заряда

В процессе заряда батарей необходимо учитывать три ограничения:

1. Максимальное напряжение батареи
2. Максимальная температура батареи
3. Максимально допустимый ток заряда

Превышение любого из этих параметров может привести к недозаряду, перезаряду, перегреву или физической деградации батареи. Задача заключается в том, чтобы обеспечивать прием максимально возможного заряда, пока идет нарастание тока заряда.

Обычные методы заряда большим током могут вызвать концентрационную и электрохимическую поляризацию.

Задача

Чтобы за 25 минут вернуть 51% заряда в батарею емкостью 3000 мА·ч (71% общей емкости), потребуется средний ток 3.7 А:

Средний ток = 51% × емкость в А·ч × (60 мин/25 мин) = 3.7 А.

Средний ток, рекомендуемый производителем, составляет 0.883 А.

Каким образом алгоритм компании Chargetek позволяет обеспечить необходимый ток, соблюдая требования безопасности и не снижая срока службы аккумулятора?

Их алгоритм обходит физические ограничения батареи:

• Уменьшает электрохимическую поляризацию за счет регулярных периодов отдыха, позволяющих ионам равномерно распределиться между двумя электродами;
• Концентрационная поляризация устраняется путем использования сравнительно коротких обратных импульсов, предшествующих импульсу заряда или следующих за ним;
• Температура, напряжение и количество принимаемого заряда постоянно контролируются, и на основе этой обратной связи производится постоянная коррекция алгоритма зарядки.

Алгоритм

Снижая тепловыделение и электрохимическую поляризацию во время заряда, алгоритм Chargetek позволяет выполнять зарядку исключительно высокими токами (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Временная диаграмма критических параметров.

Технология ускоренной зарядки компании Chargetek базируется на трех основных принципах:

1. Пульсирующий ток заряда:
   Амплитуда (I_C) и продолжительность (t_C) обозначены красным цветом. Типовым режимом является ток заряда, в 2-3 раза превышающий емкость батареи в ампер-часах.
    
2. Пульсирующий ток разряда:
   Амплитуда (I_D) и продолжительность (t_D) изображены синим цветом. Величина этого тока равна току заряда или превышает его. Продолжительность рассчитывается относительно тока заряда.
    
3. Время покоя:
   Ток батареи равен нулю (t_R).

На протяжении всего процесса зарядки температура батареи и степень ее изменения, напряжение и ток постоянно контролируются и регулируются под управлением разработанного Chargetek программного пакета PDI. Параметры алгоритма подстраиваются в режиме реального времени во время зарядки.

Сфера применения

Запатентованная Chargetek технология ускоренного заряда батарей является ключом к росту рынков электромобилей и смартфонов, ноутбуков, электроинструмента и других устройств, которым необходимо автономное питание, позволяя без перегрева заряжать уже существующие батареи в течение нескольких минут.

Конкурентные преимущества:

1. Зарядные станции для электромобилей требуют быстрого заряда аккумуляторов, соизмеримого с временем обычной заправки бензином. 20 минут, которые может предложить Chargetek – уже близко к этой цели, учитывая, что лучшие современные технологии обеспечивают зарядку за 40 минут.
    
2. 95% промышленных автопогрузчиков вынуждены между сменами менять батареи, вес которых может достигать 1 тонны, поскольку, хотя альтернативные устройства быстрого заряда и позволяют перезарядить аккумулятор за 3.5 часа, их использование сопровождается перегревом, повреждением батареи и выделению опасных веществ. Chrgetek решает эти проблемы, позволяя экономить до 75% на ускоренной промышленной зарядке и удвоить доход зарядных станций автомобилей.
    
3. Владельцы мобильных телефонов, ноутбуков и электроинструментов нередко вынуждены часами ожидать зарядки своего устройства. Технология Chargetek позволяет решить эту проблему, заряжая устройство за 20 минут от обычной сетевой розетки с напряжением 110 В.

Перевод: Алексей Ревенко по заказу РадиоЛоцман