Charakterystyka akumulatora VRLA - ładowanie

Charakterystyka akumulatora VRLA – ładowanie

Do ładowania akumulatorów VRLA zalecana jest metoda ładowania przy stałym napięciu. Podczas ładowania siarczan ołowiu znajdujący się na płycie dodatniej przekształca się w dwutlenek ołowiu (PbO₂). W miarę postępu procesu płyta dodatnia zaczyna generować tlen (O₂), co powoduje wzrost napięcia akumulatora. Utrzymywanie stałego napięcia ładowania pozwala wykryć ten moment oraz kontrolować poziom naładowania.

Typowe układy ładowania akumulatorów VRLA wykorzystują metodę stałego napięcia z ograniczeniem prądu (CC/CV). Ograniczenie prądu jest konieczne, aby zapobiec nadmiernemu prądowi na początku ładowania, szczególnie gdy akumulator jest głęboko rozładowany (ma niskie napięcie).

Tabela 1 przedstawia wartości napięcia ładowania oraz maksymalny dopuszczalny prąd ładowania zalecany przez producenta.

Rysunki 1 i 2 pokazują charakterystykę ładowania akumulatora GP1272 metodą stałonapięciową. W przykładach ładowanie inicjowane jest prądem ograniczonym do 0,1 CA, a następnie przechodzi w tryb stałonapięciowy, aż do osiągnięcia przez akumulator napięcia końcowego.

Przedstawiono dwa przypadki ładowania: akumulator w pełni rozładowany (100% DOD) oraz częściowo rozładowany (50% DOD). Aby naładować akumulator do pełna, potrzebna jest energia równa ok. 110–120% energii oddanej podczas rozładowania.

Napięcie ładowania akumulatora VRLA wzrasta przy niskich temperaturach i maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego przy pracy w szerokim zakresie temperatur niezbędna jest kompensacja temperaturowa napięcia. W temperaturach od 5 °C do 35 °C kompensacja nie jest konieczna; poza tym zakresem jest wymagana.

Współczynniki kompensacji napięcia ładowania:

(1) Praca cykliczna: –5 mV / °C / cela

(2) Praca rezerwowa (float): –3,3 mV / °C / cela

Aby uniknąć niedoładowania w niskich temperaturach oraz przeładowania w temperaturach wysokich, napięcie ładowania akumulatora VRLA musi być dobierane zgodnie z temperaturą roboczą. Szczegółowe wartości przedstawiono w Tabeli 1 oraz na Rysunku 3.

Obraz 1. GP1272 – charakterystyka ładowania przy napięciu 14,7 V (2,45 V/celę) w trybie pracy cyklicznej.

Opis wykresu ładowania akumulatora VRLA GP1272 (praca cykliczna, 14,7 V)

Wykres przedstawia przebieg procesu ładowania akumulatora VRLA AGM (na przykładzie modelu GP1272) w trybie pracy cyklicznej przy napięciu ładowania 14,70 V (2,45 V/celę) oraz prądzie ładowania ograniczonym do 0,1 CA. Na jednej grafice zaprezentowano zmiany napięcia akumulatora, prądu ładowania oraz procentowego poziomu zgromadzonego ładunku w funkcji czasu.

1. Faza rozładowania (linie przerywane – 100% i 50% DOD)

W pierwszej części wykresu przedstawiono stan akumulatora po rozładowaniu. Krzywa przerywana niebieska odpowiada rozładowaniu do 50%, natomiast przerywana linia różowa pokazuje rozładowanie do 100%. Głębsze rozładowanie skutkuje niższym napięciem początkowym i dłuższym czasem potrzebnym do pełnego naładowania.

2. Faza ładowania stałym prądem (CC – Constant Current)

Po rozpoczęciu ładowania prądem 0,1 CA wykres pokazuje szybki wzrost napięcia akumulatora (linia niebieska). Prąd ładowania pozostaje stały, a akumulator intensywnie odbudowuje materiał aktywny płyt. Faza CC trwa do momentu osiągnięcia napięcia ładowania 14,7 V.

3. Faza ładowania stałym napięciem (CV – Constant Voltage)

Po osiągnięciu wartości 14,7 V rozpoczyna się faza CV. Napięcie pozostaje stałe, natomiast prąd ładowania stopniowo maleje, ponieważ akumulator zbliża się do pełnego naładowania. Krzywa procentowa (Charge Quantity) obrazuje, jak poziom naładowania z czasem zbliża się do 100%.

4. Różnice między ładowaniem po pełnym i częściowym rozładowaniu

Akumulator rozładowany do 100% wymaga znacznie dłuższego czasu ładowania niż ten rozładowany do 50%. Obie krzywe osiągają pełną pojemność po około 20–25 godzinach ładowania w trybie cyklicznym.

5. Parametry uwzględnione na wykresie

• Rozładowanie: 100% (0,05 CA × 20 h) oraz 50% (0,05 CA × 10 h)
• Ładowanie: napięcie 14,70 V, 2,45 V/celę
• Prąd ładowania: 0,1 CA
• Temperatura pracy: 25°C (77°F)

Podsumowanie

Wykres ilustruje pełny przebieg ładowania akumulatora VRLA typu AGM w pracy cyklicznej zgodnie z algorytmem CC/CV. Przedstawia zależności między napięciem, prądem a czasem ładowania oraz różnice wynikające z poziomu wcześniejszego rozładowania. Jest to praktyczny materiał pomocny przy prawidłowym doborze parametrów ładowania oraz projektowaniu systemów zasilania wykorzystujących akumulatory VRLA.

Obraz 2. GP1272 – charakterystyka ładowania przy napięciu 13,65 V (2,275 V/celę) w trybie pracy rezerwowej.

Opis wykresu ładowania akumulatora VRLA GP1272 w trybie rezerwowym (13,65 V)

Wykres przedstawia proces ładowania akumulatora VRLA AGM GP1272 w trybie pracy rezerwowej (standby), w którym akumulator przez większość czasu pozostaje w stanie czuwania i sporadycznie uzupełnia niewielkie ubytki energii. Ładowanie prowadzone jest napięciem 13,65 V (2,275 V na celę) przy prądzie ograniczonym do 0,1 CA i temperaturze pracy 25°C (77°F).

1. Faza rozładowania – stan początkowy

Na wykresie zaprezentowano dwa poziomy wcześniejszego rozładowania akumulatora:

• 100% rozładowania – oznaczone linią ciągłą,
• 50% rozładowania – oznaczone linią przerywaną.

Oba przebiegi obrazują spadek napięcia akumulatora w stanie wyczerpania. Głębsze rozładowanie (100%) powoduje niższe napięcie początkowe i dłuższy czas wymagany do powrotu do pełnej pojemności.

2. Początek ładowania – faza stałego prądu (CC)

Po rozpoczęciu ładowania prądem 0,1 CA napięcie akumulatora wzrasta stopniowo, a prąd jest utrzymywany na stałym poziomie. W trybie standby proces ten trwa krócej niż w pracy cyklicznej, ponieważ końcowe napięcie ładowania jest niższe.

3. Przejście do fazy stałego napięcia (CV)

Po osiągnięciu wartości 13,65 V ładowarka przechodzi w tryb CV. Napięcie pozostaje stałe, natomiast prąd ładowania zaczyna stopniowo maleć, co na wykresie widoczne jest jako opadająca krzywa prądu (Charge Current).

W tym czasie akumulator zbliża się do pełnego naładowania, a jego zdolność przyjmowania prądu stopniowo maleje. Proces ten trwa aż poziom ładunku (Charge Quantity) osiągnie wartość bliską 100%.

4. Różnice między ładowaniem po pełnym i częściowym rozładowaniu

W trybie standby różnica czasu ładowania między stanem 50% a 100% rozładowania jest wyraźna, ale mniejsza niż przy wyższym napięciu ładowania. Akumulator rozładowany w mniejszym stopniu osiąga napięcie końcowe szybciej i wcześniej wchodzi w fazę CV.

5. Parametry z wykresu

• Rozładowanie: 100% (0,05 CA × 20 h) oraz 50% (0,05 CA × 10 h)
• Napięcie ładowania: 13,65 V (2,275 V/celę)
• Prąd ładowania: 0,1 CA
• Temperatura pracy: 25°C (77°F)

Podsumowanie

Wykres ilustruje zachowanie akumulatora VRLA GP1272 podczas ładowania w trybie standby, stosowanym m.in. w systemach alarmowych, UPS, telekomunikacji i zasilaniu awaryjnym. Algorytm ładowania CC/CV o niższym napięciu chroni baterię przed przeładowaniem, wydłuża jej żywotność oraz minimalizuje gazowanie. Przebieg napięcia, prądu i wzrostu poziomu ładunku pozwala zrozumieć, w jaki sposób akumulator osiąga stan pełnego naładowania i jak wpływa na to jego wcześniejszy poziom rozładowania.

Rysunek 3. Zależność napięcia ładowania od temperatury akumulatora VRLA w pracy rezerwowej.

Wykres ilustruje zależność napięcia ładowania pojedynczej celi akumulatora VRLA od jego temperatury pracy. Na osi poziomej przedstawiono temperaturę akumulatora w zakresie od ok. 0 do 40 °C, a na osi pionowej napięcie ładowania w przedziale 2,20–2,35 V/celę. Czerwony skośny pas przedstawia zalecany zakres napięcia. Przy niskich temperaturach (ok. 5 °C) napięcie powinno wynosić ok. 2,30–2,35 V/celę. Wraz ze wzrostem temperatury do ok. 40 °C zalecane napięcie stopniowo maleje do wartości ok. 2,25 V/celę. Szerszy, jaśniejszy obszar przedstawia wartości dopuszczalne poza typowym zakresem pracy. Ładowanie w tych warunkach powinno być prowadzone ostrożnie, ponieważ: – przy niskiej temperaturze zbyt wysokie napięcie może powodować nadmierne gazowanie, – przy wysokiej temperaturze wzrasta ryzyko przegrzewania się akumulatora i skrócenia jego żywotności. Wykres stanowi praktyczne narzędzie pomocne przy ustawianiu właściwego napięcia ładowania oraz zapobieganiu zjawisku thermal runaway.

Źródło grafiki: www.csb-battery.com – Hitachi Chemical Energy Technology Co. Ltd.