Зарядное устройство для аккумулятора , зарядное устройство или просто зарядное устройство [ 1] [2] — это устройство, которое сохраняет энергию в электрической батарее , пропуская через нее ток . Протокол зарядки — какое напряжение , ток, как долго и что делать после завершения зарядки — зависит от размера и типа заряжаемой батареи. Некоторые типы батарей имеют высокую устойчивость к перезарядке после полной зарядки и могут заряжаться путем подключения к источнику постоянного напряжения или источнику постоянного тока , в зависимости от типа батареи.
Простые зарядные устройства такого типа необходимо отключать вручную в конце цикла зарядки. Другие типы аккумуляторов используют таймер для отключения, когда зарядка должна быть завершена. Другие типы аккумуляторов не выдерживают перезарядки, повреждаются (снижается емкость, сокращается срок службы), перегреваются или даже взрываются. Зарядное устройство может иметь схемы измерения температуры или напряжения и микропроцессорный контроллер для безопасной регулировки зарядного тока и напряжения, определения состояния заряда и отключения в конце зарядки. Зарядные устройства могут повышать выходное напряжение пропорционально току, чтобы компенсировать сопротивление в проводах. [3]
Зарядное устройство с малым током обеспечивает относительно небольшое количество тока, достаточное только для противодействия саморазряду батареи, которая простаивает в течение длительного времени. Некоторые типы батарей не выдерживают подзарядку малым током; попытки сделать это могут привести к повреждению. Литий-ионные батареи не выдерживают бесконечную подзарядку малым током. [4] Медленным зарядным устройствам может потребоваться несколько часов для завершения зарядки. Высокоскоростные зарядные устройства могут восстановить большую часть емкости гораздо быстрее, но высокоскоростные зарядные устройства могут быть больше, чем могут выдержать некоторые типы батарей. Такие батареи требуют активного мониторинга батареи, чтобы защитить ее от любого неправомерного использования. [5] В идеале электромобилям нужны высокоскоростные зарядные устройства. Для общественного доступа установка таких зарядных устройств и поддержка их распространения являются проблемой в предлагаемом принятии электромобилей.
Скорость заряда и разряда часто указывается как C или C-rate , что является мерой скорости, с которой аккумулятор заряжается или разряжается относительно его емкости. C-rate определяется как ток заряда или разряда, деленный на емкость аккумулятора для хранения электрического заряда. Хотя это редко указывается явно, единицей C-rate является ч −1 , что эквивалентно указанию емкости аккумулятора для хранения электрического заряда в единице час, умноженной на ток в той же единице, что и ток заряда или разряда. C-rate никогда не бывает отрицательным, поэтому то, описывает ли он процесс зарядки или разрядки, зависит от контекста. [6]
Например, для батареи емкостью 500 мАч ток разряда 5000 мА (т. е. 5 А) соответствует C-rate 10C, что означает, что такой ток может разрядить 10 таких батарей за один час. Аналогично, для той же батареи ток заряда 250 мА соответствует C-rate C/2, что означает, что этот ток увеличит состояние заряда этой батареи на 50% за один час. [7]
Проходящий через батареи ток генерирует внутреннее тепло, примерно пропорциональное задействованному току (текущее состояние заряда батареи, состояние / история и т. д. также являются факторами). Если процесс зарядки эндотермический (что в случае с Ni–Cd батареями , тогда как зарядка никель-металлгидридных батарей является экзотермической), процесс зарядки изначально охлаждает батарею, но по мере достижения ею полной зарядки охлаждающий эффект прекращается, и ячейка нагревается. Обнаружение повышения температуры на 10 °C (18 °F) является одним из способов определения того, когда следует прекратить зарядку. [8] Ячейки батареи, которые были сконструированы для обеспечения более высоких C-скоростей, чем обычно, должны предусматривать повышенный нагрев.
Но высокие показатели C привлекательны для конечных пользователей, поскольку такие батареи можно заряжать быстрее и выдавать более высокий выходной ток при использовании. Высокие показатели C обычно требуют, чтобы зарядное устройство тщательно контролировало параметры батареи, такие как напряжение на клеммах и температура, чтобы предотвратить перезарядку и, таким образом, повреждение ячеек. [6] Такие высокие показатели зарядки возможны только для некоторых типов батарей. Другие будут повреждены или, возможно, перегреются или загорятся. Некоторые батареи могут даже взорваться. [9] Например, автомобильная свинцово-кислотная батарея SLI (стартовая, осветительная, зажигательная) несет в себе несколько рисков взрыва . Более новый тип зарядного устройства известен как твердотельное зарядное устройство. Это преодолевает ограничения жидких батарей.
Простое зарядное устройство работает, подавая постоянный или импульсный постоянный ток на заряжаемую батарею. Простое зарядное устройство обычно не изменяет свой выход в зависимости от времени зарядки или заряда батареи. Эта простота означает, что простое зарядное устройство недорогое, но есть компромиссы. Обычно тщательно спроектированное простое зарядное устройство заряжает батарею дольше, поскольку оно настроено на использование более низкой (т. е. более безопасной) скорости зарядки. Тем не менее, многие батареи, оставленные на простом зарядном устройстве слишком долго, будут ослаблены или уничтожены из-за перезарядки. Эти зарядные устройства также различаются тем, что они могут подавать на батарею либо постоянное напряжение, либо постоянный ток.
Простые зарядные устройства для аккумуляторов с питанием от переменного тока обычно имеют гораздо более высокий пульсирующий ток и пульсирующее напряжение, чем другие типы зарядных устройств, поскольку они недорого спроектированы и изготовлены. Как правило, когда пульсирующий ток находится в пределах рекомендуемого производителем аккумулятора уровня, пульсирующее напряжение также будет в пределах рекомендуемого уровня. Максимальный пульсирующий ток для типичной 12- вольтовой 100- амперной батареи VRLA составляет 5 ампер. Пока пульсирующий ток не является чрезмерным (более чем в 3–4 раза превышающим уровень, рекомендуемый производителем аккумулятора), ожидаемый срок службы пульсирующего заряжаемого аккумулятора VRLA будет находиться в пределах 3% от срока службы аккумулятора, заряжаемого постоянным постоянным током. [10]
Быстрые зарядные устройства используют схему управления для быстрой зарядки аккумуляторов без повреждения ячеек в аккумуляторе. Схема управления может быть встроена в аккумулятор (как правило, для каждой ячейки) или во внешнем зарядном устройстве, или разделена между ними. Большинство таких зарядных устройств имеют охлаждающий вентилятор , помогающий поддерживать температуру ячеек на безопасном уровне. Большинство быстрых зарядных устройств также могут работать как стандартные ночные зарядные устройства, если используются со стандартными ячейками Ni–MH, которые не имеют специальной схемы управления.
Чтобы ускорить время зарядки и обеспечить непрерывную зарядку, интеллектуальное зарядное устройство пытается определить состояние заряда и состояние аккумулятора и применяет трехступенчатую схему зарядки. Следующее описание предполагает герметичную свинцово-кислотную тяговую батарею при температуре 25 °C (77 °F). Первая стадия называется «объемной абсорбцией»; ток зарядки поддерживается высоким и постоянным и ограничивается емкостью зарядного устройства. Когда напряжение на аккумуляторе достигает напряжения дегазации (2,22 вольта на ячейку), зарядное устройство переключается на вторую стадию, и напряжение поддерживается постоянным (2,40 вольта на ячейку). Подаваемый ток снижается при поддерживаемом напряжении, и когда ток достигает менее 0,005C, зарядное устройство переходит на третью стадию, и выход зарядного устройства поддерживается постоянным на уровне 2,25 вольта на ячейку. На третьей стадии ток зарядки очень мал, 0,005C, и при этом напряжении аккумулятор может поддерживаться полностью заряженным и компенсировать саморазряд.
Индуктивные зарядные устройства для аккумуляторов используют электромагнитную индукцию для зарядки аккумуляторов. Зарядная станция посылает электромагнитную энергию через индуктивную связь в электрическое устройство, которое сохраняет энергию в аккумуляторах. Это достигается без необходимости в металлических контактах между зарядным устройством и аккумулятором. Индуктивные зарядные устройства для аккумуляторов обычно используются в электрических зубных щетках и других устройствах, используемых в ванных комнатах. Поскольку нет открытых электрических контактов, нет риска поражения электрическим током. В настоящее время его используют для зарядки беспроводных телефонов.
Умное зарядное устройство может реагировать на состояние батареи и изменять параметры ее зарядки соответствующим образом, тогда как «немые» зарядные устройства подают постоянное напряжение, возможно, через фиксированное сопротивление. Его не следует путать с умной батареей , которая содержит компьютерный чип и обменивается цифровыми данными с умным зарядным устройством о состоянии батареи. Для умной батареи требуется умное зарядное устройство. Некоторые умные зарядные устройства также могут заряжать «немые» батареи, в которых отсутствует какая-либо внутренняя электроника.
Выходной ток интеллектуального зарядного устройства зависит от состояния батареи. Интеллектуальное зарядное устройство может контролировать напряжение батареи, температуру или время зарядки, чтобы определить оптимальный ток зарядки или прекратить зарядку. Для Ni–Cd и Ni–MH батарей напряжение батареи медленно увеличивается в процессе зарядки, пока батарея не будет полностью заряжена. После этого напряжение уменьшается из-за повышения температуры, что указывает интеллектуальному зарядному устройству, что батарея полностью заряжена. Такие зарядные устройства часто маркируются как зарядное устройство ΔV, «дельта-V» или иногда «дельта-пик», что указывает на то, что они отслеживают изменение напряжения.
Это может привести к тому, что даже интеллектуальное зарядное устройство не обнаружит, что батареи уже полностью заряжены, и продолжит зарядку, результатом чего может стать перезарядка. Многие интеллектуальные зарядные устройства используют различные системы отключения для предотвращения перезарядки. Типичное интеллектуальное зарядное устройство быстро заряжает батарею примерно до 85% от ее максимальной емкости менее чем за час, а затем переключается на подзарядку малым током, которая занимает несколько часов, чтобы полностью зарядить батарею. [11]
Несколько компаний начали производить устройства, заряжающие батареи, используя энергию от движений человека, например, ходьбы. Пример, созданный Tremont Electric, состоит из магнита, удерживаемого между двумя пружинами, который может заряжать батарею, когда устройство перемещается вверх и вниз. Такие продукты пока не достигли значительного коммерческого успеха. [12]
Педальное зарядное устройство для мобильных телефонов, встраиваемое в столы, было создано для установки в общественных местах, таких как аэропорты, железнодорожные вокзалы и университеты. Они были установлены в ряде стран на нескольких континентах. [13]
Некоторые зарядные устройства используют импульсную технологию , при которой на аккумулятор подается серия электрических импульсов . Импульсы постоянного тока имеют строго контролируемое время нарастания , ширину импульса, частоту повторения импульсов ( частоту ) и амплитуду . Эта технология работает с любым размером и типом аккумулятора, включая автомобильные и клапанно-регулируемые . [14] При импульсной зарядке применяются высокие мгновенные напряжения без перегрева аккумулятора. В свинцово-кислотном аккумуляторе это разрушает кристаллы сульфата свинца, тем самым значительно продлевая срок службы аккумулятора. [15]
Несколько видов импульсных зарядных устройств запатентованы, [16] [17] [18], в то время как другие являются аппаратным обеспечением с открытым исходным кодом . Некоторые зарядные устройства используют импульсы для проверки текущего состояния аккумулятора при первом подключении зарядного устройства, затем используют зарядку постоянным током во время быстрой зарядки, затем используют импульсный режим для подзарядки малым током. [19] Некоторые зарядные устройства используют «зарядку отрицательными импульсами», также называемую «рефлексной зарядкой» или «рывковой зарядкой». Эти зарядные устройства используют как положительные, так и кратковременные отрицательные импульсы тока. Нет существенных доказательств того, что зарядка отрицательными импульсами более эффективна, чем обычная импульсная зарядка.
Солнечные зарядные устройства преобразуют световую энергию в постоянный ток низкого напряжения . Они, как правило, портативны, но также могут быть установлены стационарно. Стационарные солнечные зарядные устройства также известны как солнечные панели . Они часто подключаются к электросети через схемы управления и интерфейса, тогда как портативные солнечные зарядные устройства используются вне сети (т. е. в автомобилях , лодках или автофургонах ).
Хотя портативные солнечные зарядные устройства получают энергию только от солнца, они могут заряжать при слабом освещении, например, на закате. Портативные солнечные зарядные устройства часто используются для подзарядки малым током , хотя некоторые из них могут полностью перезарядить батареи.
Выход зарядного устройства с таймером прекращается после заданного интервала времени. Зарядные устройства с таймером были наиболее распространенным типом для Ni–Cd элементов большой емкости в конце 1990-х годов для зарядки потребительских Ni–Cd элементов малой емкости. Часто зарядное устройство с таймером и набор батарей можно было купить в комплекте, и время зарядки устанавливалось специально для этих батарей. Если заряжать батареи меньшей емкости, то они будут перезаряжены, а если батареи большей емкости заряжать по таймеру, то они не достигнут полной емкости. Зарядные устройства с таймером также имели недостаток, заключающийся в том, что зарядка батарей, которые не были полностью разряжены, приводила к перезарядке.
Зарядное устройство с малым током обычно является слаботочным (обычно от 5 до 1500 мА). Они обычно используются для зарядки аккумуляторов небольшой емкости (2–30 А·ч). Они также используются для поддержания аккумуляторов большей емкости (> 30 А·ч) в автомобилях и лодках. В более крупных приложениях ток зарядного устройства для аккумулятора достаточен только для обеспечения тока малого тока. В зависимости от технологии зарядного устройства с малым током его можно оставлять подключенным к аккумулятору на неопределенный срок. Некоторые типы аккумуляторов не подходят для подзарядки малым током. Например, большинство литий-ионных аккумуляторов не могут безопасно заряжаться малым током и могут вызвать возгорание или взрыв.
Самые сложные зарядные устройства используются в критических приложениях (например, военные или авиационные батареи). Эти мощные автоматические системы «интеллектуальной зарядки» могут быть запрограммированы на сложные циклы зарядки, указанные производителем батареи. Лучшие из них являются универсальными (т.е. могут заряжать все типы батарей) и включают в себя функции автоматического тестирования и анализа емкости.
Поскольку спецификация Universal Serial Bus обеспечивает питание в пять вольт, можно использовать USB-кабель для подключения устройства к источнику питания. Продукты, основанные на этом подходе, включают зарядные устройства для сотовых телефонов , портативных цифровых аудиоплееров и планшетных компьютеров . Они могут быть полностью совместимыми периферийными устройствами USB или неконтролируемыми, простыми зарядными устройствами.Другой тип зарядного устройства USB, называемый «USB (перезаряжаемая) батарея», устанавливается в корпус стандартных батареек (1,5 В AA, C, D и 9 В блок) вместе с литий-ионной аккумуляторной батареей, преобразователем напряжения и USB-разъемом.
Используется для зарядки одного аккумулятора от другого аккумулятора того же напряжения.
Поскольку зарядное устройство для аккумулятора предназначено для подключения к аккумулятору, оно может не иметь регулировки напряжения или фильтрации выходного постоянного напряжения; дешевле сделать их такими. Зарядные устройства для аккумуляторов, оснащенные как регулировкой напряжения, так и фильтрацией, иногда называют выключателями аккумуляторов .
Для транспортных средств используются два основных типа зарядных устройств:
Зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов имеют разные номиналы. Зарядные устройства, рассчитанные на ток до двух ампер, можно использовать для поддержания заряда аккумуляторов припаркованных транспортных средств или для небольших аккумуляторов садовых тракторов или аналогичного оборудования. Автомобилист может иметь зарядное устройство, рассчитанное на ток от нескольких ампер до десяти или пятнадцати ампер, для обслуживания автомобильных аккумуляторов или для подзарядки случайно разрядившегося аккумулятора транспортного средства. На станциях техобслуживания и в коммерческих гаражах есть большое зарядное устройство для полной зарядки аккумулятора за час или два; часто эти зарядные устройства могут кратковременно вырабатывать сотни ампер, необходимые для запуска стартера двигателя внутреннего сгорания.
Зарядные устройства для аккумуляторов электромобилей (ECS) выпускаются в различных марках и с разными характеристиками. Максимальная скорость заряда этих зарядных устройств составляет от 1 кВт до 7,5 кВт. Некоторые из них используют алгоритмические кривые заряда, другие — постоянное напряжение и ток. Некоторые из них программируются конечным пользователем через порт CAN , некоторые имеют циферблаты для максимального напряжения и силы тока, некоторые предварительно настроены на указанное напряжение аккумуляторной батареи, ампер-часы и химию. Цены варьируются от 400 до 4500 долларов. Для полной зарядки аккумулятора емкостью 10 ампер-часов из полностью разряженного состояния с помощью зарядного устройства на 1 ампер может потребоваться 15 часов, поскольку для этого потребуется примерно в 1,5 раза больше емкости аккумулятора. Общественные зарядные станции для электромобилей обеспечивают мощность 6 кВт (мощность хоста от 208 до 240 В переменного тока от 40-амперной цепи). 6 кВт зарядит электромобиль примерно в шесть раз быстрее, чем зарядка на 1 кВт за ночь. Быстрая зарядка обеспечивает еще более быстрое время перезарядки и ограничивается только доступной мощностью переменного тока, типом аккумулятора и типом системы зарядки. [20]
Бортовые зарядные устройства для электромобилей (изменяют переменный ток на постоянный для подзарядки аккумуляторной батареи электромобиля) могут быть:
Зарядные устройства с коррекцией коэффициента мощности (PFC) могут точнее соответствовать максимальному току, который может обеспечить вилка, сокращая время зарядки.
Проект Better Place занимался развертыванием сети зарядных станций и субсидированием расходов на аккумуляторы транспортных средств за счет лизинга и кредитов до подачи заявления о банкротстве в мае 2013 года.
Исследователи из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработали электрическую транспортную систему под названием Online Electric Vehicle (OLEV), в которой транспортные средства получают необходимую им энергию от кабелей, проложенных под поверхностью дороги, с помощью индуктивной зарядки , источник питания размещается под поверхностью дороги, а энергия поступает на само транспортное средство по беспроводной сети. [21]
_01.jpg/1280px-Dymond_Mini_duo_USB_car_charger,_Oude_Pekela_(2019)_01.jpg)
Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов на самом деле не являются зарядными устройствами, а всего лишь адаптерами питания , которые обеспечивают источник питания для схемы зарядки, которая почти всегда находится внутри мобильного телефона. Старые модели печально известны своим разнообразием, имея широкий спектр стилей и напряжений разъемов постоянного тока , большинство из которых несовместимы с телефонами других производителей или даже с различными моделями телефонов одного производителя.
Некоторые модели более высокого класса оснащены несколькими портами и оснащены дисплеем, на котором отображается выходной ток . [22] Некоторые поддерживают протоколы связи для параметров зарядки, такие как Qualcomm Quick Charge или MediaTek Pump Express . Зарядные устройства для 12-вольтовых автомобильных розеток могут поддерживать входное напряжение до 24 или 32 В постоянного тока для обеспечения совместимости и иногда оснащены дисплеем для контроля тока или напряжения электрической системы автомобиля. [23]
Китай, Европейский союз и другие страны разрабатывают национальный стандарт для зарядных устройств для мобильных телефонов, используя стандарт USB . [24] В июне 2009 года 10 крупнейших в мире производителей мобильных телефонов подписали Меморандум о взаимопонимании с целью разработки спецификаций и поддержки общего внешнего источника питания (EPS), оснащенного microUSB , для всех мобильных телефонов с поддержкой передачи данных, продаваемых в ЕС. [25] 22 октября 2009 года Международный союз электросвязи объявил, что microUSB станет стандартом для универсального зарядного устройства для мобильных телефонов. [26]
Телекоммуникационные, электроэнергетические и компьютерные бесперебойные источники питания могут иметь очень большие резервные батареи (установленные в аккумуляторных комнатах ) для поддержания критических нагрузок в течение нескольких часов во время перебоев в подаче первичной энергии. Такие зарядные устройства устанавливаются постоянно и оснащены температурной компенсацией, контрольными сигналами для различных сбоев системы и часто резервными независимыми источниками питания и резервными выпрямительными системами.
Зарядные устройства для стационарных аккумуляторных установок могут иметь адекватную регулировку напряжения и фильтрацию, а также достаточную емкость тока, чтобы позволить отключать аккумулятор для обслуживания, в то время как зарядное устройство питает нагрузку системы постоянного тока (DC). Емкость зарядного устройства указывается для поддержания нагрузки системы и подзарядки полностью разряженного аккумулятора в течение, скажем, 8 часов или других интервалов.
Правильно спроектированное зарядное устройство может позволить аккумуляторам достичь полного срока службы. Избыточный зарядный ток, длительная перезарядка или переполюсовка ячеек в многоэлементном аккумуляторе могут привести к повреждению ячеек и ограничить срок службы аккумулятора.
Большинство современных сотовых телефонов , ноутбуков и планшетных компьютеров , а также большинство электромобилей используют литий-ионные батареи . [27] Эти батареи служат дольше, если батарея часто заряжается; полная разрядка ячеек относительно быстро снижает их емкость, но большинство таких батарей используются в оборудовании, которое может определять приближение полной разрядки и прекращать использование оборудования. [6] При хранении после зарядки литиевые батареи деградируют больше, когда они полностью заряжены, чем когда они заряжены только на 40–50%. Как и в случае со всеми типами батарей, деградация также происходит быстрее при более высоких температурах.
Деградация литий-ионных аккумуляторов вызвана повышенным внутренним сопротивлением аккумулятора, часто из-за окисления ячеек . Это снижает эффективность аккумулятора, что приводит к снижению чистого тока, который может быть получен от аккумулятора. [6] Однако, если литий-ионные элементы разряжаются ниже определенного напряжения, происходит химическая реакция, которая делает их опасными при перезарядке, поэтому многие такие аккумуляторы в потребительских товарах теперь имеют «электронный предохранитель», который навсегда отключает их, если напряжение падает ниже установленного уровня. Схема электронного предохранителя потребляет небольшое количество тока от аккумулятора, что означает, что если аккумулятор ноутбука долгое время остается без зарядки и с очень низким начальным уровнем заряда , аккумулятор может быть окончательно разрушен.
Автомобили, такие как лодки, автофургоны, квадроциклы, мотоциклы, автомобили, грузовики и т. д., используют свинцово-кислотные батареи . Эти батареи используют сернокислотный электролит и, как правило, могут заряжаться и разряжаться без проявления эффекта памяти, хотя сульфатация (химическая реакция в батарее, которая откладывает слой сульфатов на свинце) будет происходить со временем. Обычно сульфатированные батареи просто заменяют новыми батареями, а старые перерабатывают. Свинцово-кислотные батареи будут работать значительно дольше, если для «плавающей зарядки» батареи использовать зарядное устройство для технического обслуживания. Это предотвращает падение заряда батареи ниже 100%, предотвращая образование сульфата. Для достижения наилучших результатов следует использовать надлежащее плавающее напряжение с температурной компенсацией.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)