Как известно, зарядные устройства выполняют три основные функции: обеспечение электрического заряда элемента (батареи), регулирование и оптимизация скорости зарядки, распознавание и сигнализация необходимости остановки активной фазы и завершения зарядки.

Задачи вытекающие из этих функций, могут быть выполнены с помощью устройств с простыми схемными решениями, которые обычно требуют внешнего наблюдения, считывания показаний и ручного отключения от источника питания в конце. Но производятся все более сложные устройства со специализированными интегральными микросхемами и возможностью программирования параметров процесса зарядки, таких как напряжение, ток, сопротивление и температура батареи. Подходящие чипы, обычно требующие лишь небольшого добавления внешних компонентов для установки, производятся хорошо известными компаниями, например, Texas Instruments, Linear Technology Corp, Maxim, Microchip и конечно различные китайские производители. Зарядные устройства обычно разработаны для определенных типов аккумуляторов. Также производятся универсальные зарядки, которые могут сами распознавать тип подключенного приемника энергии и обеспечивать соответствующий метод заряда.

На сегодня зарядные устройства для аккумуляторов имеют всё-ещё относительно низкую эффективность. Исследования, проведенные несколько лет назад в США компанией Ecos Consulting по многим типам аккумуляторов, позволили установить что их КПД в 24-часовом цикле находится в диапазоне 10-70%. Эта эффективность была определена как отношение энергии запасенной в заряженных батареях, к энергии, потребляемой зарядными устройствами в фиксированном 24-часовом цикле. Эффективность была заметно ниже (примерно до 30%) в случае различных типов аккумуляторов малой емкости (1–100 Втч), а самые высокие значения были достигнуты для больших свинцовых аккумуляторов примерно 1000 Втч. То есть КПД выше при работе с максимальной выходной мощностью.

Требования к энергии для зарядных устройств

Большая работа в этой области была проведена, а затем принята и расширена Министерством энергетики США (DOE). В исходной версии требования к разработанным там зарядным устройствам приняты и используются в большинстве стран, производящих эти устройства. Обычно требуются небольшие ЗУ с входной мощностью до 2 кВт и большие зарядные устройства с мощностью выше этого значения.

Чтобы четко определить и сравнить свойства различных зарядных устройств, были приняты определенные термины, облегчающие этот анализ. Прежде всего, здесь следует указать режимы (состояния) работы зарядных устройств. В активном режиме (режиме зарядки аккумулятора) зарядное устройство потребляет больше всего энергии. Дальнейшая стадия использования – в режиме обслуживания, когда батарея все еще подключена к зарядному устройству, но потребляет от источника питания лишь небольшую мощность Pm, которая необходима для возможной перезарядки батареи (иногда называемой поддерживающей подзарядкой).

В 24-часовом рабочем цикле E24h – это энергия в [Вт-ч], потребляемая системой зарядки в двух режимах – зарядке и удержании. После отключения аккумулятора от зарядного устройства оно остается в режиме ожидания с минимальным потреблением энергии. Схематичное представление требований к мощности для 24-часового рабочего цикла для системы зарядки аккумулятора показано на рисунке.

Для зарядных устройств с пиковой потребляемой мощностью более 2 кВт, таких как АКБ установленные в вилочных погрузчиках, подъемниках, тележках для гольфа и различных электромобилях, были введены другие параметры для снижения потребления электроэнергии. К ним относятся коэффициент возврата заряда (CRF), который показывает количество энергии доставленной батарее, по отношению к потребляемой энергии (1,10 при разряде 80% и 1,15 при разряде 40%) и эффективность преобразования мощности, с необходимое значение не менее 89%, что позволяет определить потери мощности при зарядке. В разработанных нормативных требованиях также учтено минимальное значение коэффициента мощности PF (power factor) на уровне 90%. Этот коэффициент определяется как отношение реальной к полной мощности. Этот коэффициент снижается из-за наличия нелинейной нагрузки. В этом случае выходом является установка в зарядные устройства дополнительных специализированных систем коррекции коэффициента мощности, известных как PFC.

Схемы и режимы зарядки аккумуляторов

Зарядка аккумулятора заключается в подаче на него электрического тока для полного восстановления активных химических соединений. Обнаружение того, что это произошло, должно привести к завершению процесса, чтобы избежать рассеивания тока и выделения тепла и газов. Неправильное отключение питания и прекращение зарядки может привести к повреждению и в целом сократить срок службы аккумулятора. В более простых зарядных устройствах окончание зарядки определяется по достижении заданного предельного напряжения.

На время зарядки влияют как минимум 3 процесса:

1. перенос заряда вблизи границы раздела электролит-электрод, происходящий за считанные минуты,
2. массоперенос материала (процесс диффузии), требующий часов,
3. процессы интеркаляции (внедрения) ионов или молекул материалов, происходящие в слоистых структурах.

Есть 3 режима зарядки аккумулятора:

• медленно, когда зарядка длится всю ночь или примерно 14-16 часов при токе 0,1 C,
• быстро, продолжительностью 3–6 часов при силе тока около 0,3 С,
• супер-быстро, продолжительностью менее 1 ч при силе тока 1,0 С.

Благодаря быстрой зарядке можно передавать электричество в аккумулятор за меньшее время, чем может отреагировать химический процесс. Но в этом случае будет происходить неравномерное распределение продуктов реакции между областями ближе к электродам, что отрицательно скажется на сроке службы батареи. Некоторого улучшения в этой ситуации можно добиться введя короткие перерывы в процессе зарядки. При быстрой зарядке увеличивается риск перезарядки и перегрева аккумулятора. Во избежание повреждений тут надо использовать более сложные зарядные устройства и установить термореле (TCO) или тепловой предохранитель.

Наиболее устойчивы к перезарядке и чрезмерному повышению температуры никель-кадмиевые, свинцово-кислотные и никель-металлогидридные батареи. Напротив, литий-ионные батареи чувствительны к перезарядке, поэтому процесс должен быть завершен как только будет достигнут верхний предел напряжения (конечное напряжение). Для литий-ионных аккумуляторов с номинальным напряжением 3,7 В напряжение зарядки составляет 4,20 ± 0,05 В, а для литий-полимерных аккумуляторов (LiFePO 4) с номинальным напряжением 3,7 В обычно 3,60 … 3,65 В. Схема зарядки литиевых аккумуляторов называется CC / CV, потому что начинается с постоянного тока 0,2 – 0,3 С, вызывая постепенное повышение напряжения. Как только заданное напряжение достигается, оно поддерживается на этом уровне, что снижает зарядный ток. Этот процесс показан на рисунке.

Из-за взаимной зависимости параметров процесса зарядки и изменения C-фактора на разных этапах трудно оценить время необходимое для полной зарядки разряженной литиевой батареи.

В общем используемые методы зарядки зависят от типа и параметров аккумуляторов (особенно их химического состава, емкости, мощности и конкретных применений) и состоят в генерировании соответствующих постоянных и импульсных токов и напряжений с различными временными интервалами на выходе зарядного устройства.

В дополнение к очевидным потребностям, связанным с использованием аккумуляторов для питания работающих устройств, зарядные устройства должны обеспечивать подзарядку аккумуляторов (непрерывный заряд) в результате саморазряда на резервных устройствах. Они также должны обеспечивать зарядку, необходимую когда батарея постоянно подключена параллельно с нагрузкой, выходное напряжение тогда остается немного ниже допустимого напряжения в батарее. Такая свободная (плавающая) зарядка имеет место, например, в схемах резервного питания в системах безопасности.

Случайная зарядка может применяться в электрических (EV) или гибридных (HEV) транспортных средствах. Наличие энергии, достаточной для зарядки аккумулятора, зависит от скорости движения, частоты вращения двигателя и качества работы тормозной системы с рекуперацией энергии.

Зарядка аккумуляторов от источника питания, такого как солнечные панели (фотоэлектрические элементы), в которых есть непредсказуемые изменения интенсивности света, также нерегулярна. В этом случае пригодятся регуляторы силы заряда, установленные между солнечными батареями и приемниками тока. Регуляторы PWM (с импульсной модуляцией) и MPPT (с отслеживанием точки максимальной мощности на ВАХ) управляют работой фотоэлектрической схемы, защищая аккумулятор от перезарядки и чрезмерной разрядки. Благодаря регуляторам MPPT, генерирующим управляющие сигналы на основе оценки текущего состояния и внешних условий, то есть интенсивности освещения, можно получить повышение эффективности на 20 – 30%.

Правильная и безопасная зарядка батарей в значительной степени зависит от температуры, которая устанавливается внутри элемента в результате протекания тока и вызванной этим химической реакции. Это оказалось критичным в более ранних решениях литий-ионных аккумуляторов с графитовым анодом и катодом из LiCoO2, где происходило неконтролируемое повышение температуры до 175 ° C и даже самовоспламенение элемента.

В целях повышения безопасности использования, в 2007 году Японская ассоциация электронных и информационных технологий JEITA и производители аккумуляторов представили рекомендации по ограничению напряжения и зарядного тока в определенных температурных диапазонах ячеек. На рисунке показаны эти рекомендуемые условия для зарядки литий-ионного аккумулятора ноутбука. При низких температурах (ниже T2) химические реакции замедляются, и образующийся металлический литий вступая в реакцию с электролитом выделяет много тепла (экзотермическая реакция). Зарядка практически не происходит при более низких температурах.

С другой стороны, при высоких температурах (выше T3) катод становится более активным и вступает в реакцию с электролитом. Поскольку температура поверхности элемента продолжает расти (выше T4), зарядка прекращается и аккумулятор перегревается.

Зарядные устройства и эффективность схем

Зарядное устройство (по ссылке сборник схем) обычно включает в себя модуль регулирования (стабилизации), который управляет зарядным напряжением. Качество, в том числе эффективность зарядного устройства и его цена, во многом зависит от компоновки этого модуля и других функциональных схем, взаимодействующих с ним. Невысокий КПД получается в случае достаточно простых зарядных устройств с последовательным (линейным) регулированием напряжения.

С другой стороны, феррорезонансные зарядные устройства и зарядные устройства с SCR (тиристорным) управлением чаще всего используются для питания потребителей, представляющих высокую нагрузку, таких как электромобили или электропогрузчики и лифты. Их КПД достигает 80%, и он был улучшен благодаря достижениям материаловедения. В настоящее время литиевые элементы в основном используются в электрических (EV) и гибридных (HEV) транспортных средствах. Они формируются в батареи содержащие сотни ячеек, соединенных последовательно – для получения высокого напряжения и параллельно – так, чтобы можно было потреблять большие токи (особенно при запуске). Ячейки должны быть правильно сбалансированы и защищены от слишком глубокой разрядки и перезарядки.

Функции контроля напряжения и контроля заряда высоковольтных батарей обычно разделены. Цепи контроля структурно связаны с аккумулятором, а процесс зарядки контролируется внешними цепями. Требуется чтобы измерения напряжений, токов и температуры проводились с высокой точностью. Сейчас активно ведутся работы по зарядным устройствам для электромобилей. Также учитывается индукционная (бесконтактная) зарядка, хотя она в первую очередь важна в случае элементов питания имплантатов.

В фотоэлектрических системах зарядный ток регулируется переключающим транзистором, подключенным параллельно солнечной панели и заряженному аккумулятору. Чтобы предотвратить перезарядку аккумулятора, вывод панели отключается при достижении установленного напряжения.

Самые популярные импульсные зарядные устройства, в которых для регулирования напряжения используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Они могут охватывать широкий диапазон напряжений и иметь низкие потери энергии, высокий коэффициент мощности и низкие гармонические искажения. На более высоких рабочих частотах можно получить уменьшение размеров пассивных элементов (трансформаторов, катушек индуктивности и конденсаторов). А КПД таких ЗУ может быть даже выше 90%.

Также стоит упомянуть зарядку аккумуляторов с помощью разъема USB, в котором есть пара проводов – земля и +5 В, что может обеспечить ток потребления 500–900 мА. Но необходимо защитить заряжаемый аккумулятор от перезарядки, подключив дополнительную схему защиты.

Можно вспомнить ещё несколько конструктивных и схемных решений, позволяющих повысить эффективность зарядных устройств. Они аналогичны тем, которые используются для внешних электронных и электрических источников питания EPS. К ним относятся: мягкое переключение (при нулевом напряжении или токе), использование резонансных цепей в DC / DC преобразователе (особенно с топологией LLC с пониженным значением индуктивности в первичной обмотке резонансного контура), выпрямление с синхронизацией переключение выходных цепей и использование вспомогательного источника питания – для снижения энергопотребления в режиме ожидания.

В общем вопросы схемных решений зарядного устройства, несомненно являются существенным фактором, влияющим на эффективность процесса зарядки. Но системный подход должен также учитывать другие моменты, такие как программное обеспечение зарядных устройств (особенно более сложных), тип аккумуляторов, вопросы монтажа и выполнения внутренних соединений.

Программное обеспечение, относящееся к реализованной схеме зарядки, регулирует интенсивность подачи электрического заряда и время завершения всего процесса. Этот момент должен быть хорошо согласован с завершением электрохимических реакций в ячейке, чтобы минимизировать поглощение избыточной энергии. Это зависит от типа используемых батарей, например герметичные свинцово-кислотные батареи (с меньшими потерями) и с открытым корпусом. Менее очевидный, но также важный вопрос – это сопротивление внутренних соединений в схеме зарядки. Потери переменного и постоянного тока зависят от толщины и длины проводов, качества контактов в разъемах и формы электрических сигналов с различными коэффициентами мощности PF.