Зарядное устройство для литиевых батарей на 24 В и свинцово-кислотное зарядное устройство | Алгоритм зарядки и руководство по безопасности

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 24 В и стандартное свинцово-кислотное зарядное устройство: полный алгоритм зарядки и сравнение безопасности

Для разработчиков аккумуляторных систем, производителей оборудования и специалистов по экспортным закупкам выбор правильного зарядного устройства для аккумуляторных систем на 24 В напрямую влияет на срок службы аккумулятора, безопасность зарядки и время безотказной работы оборудования. В стандартных свинцово-кислотных зарядных устройствах используются алгоритмы постоянного напряжения или простого постоянного тока, которые могут повредить литиевые батареи из-за перезарядки или неправильного подключения. Зарядные устройства для литиевых батарей 24 В разработаны специально для литий-ионной химии, имеют прецизионную регулировку напряжения, многоступенчатые алгоритмы зарядки и протоколы связи, которые оптимизируют производительность и безопасность аккумуляторов. Понимание различий между этими типами зарядных устройств помогает покупателям выбрать оптимальное решение для различных применений, от электрических скутеров до погрузочно-разгрузочного оборудования.

В стандартных свинцово-кислотных зарядных устройствах обычно используется трехступенчатый алгоритм объемного, абсорбционного и плавающего режима с заданными значениями напряжения примерно 28,8 В для абсорбции и 27,6 В для плавающего режима в системе с номинальным напряжением 24 В. Этот алгоритм работает для свинцово-кислотных аккумуляторов, поскольку они допускают перезарядку и требуют плавающего режима для поддержания заряда. Литиевые батареи требуют алгоритма постоянного тока и постоянного напряжения с точным завершением в конце этапа постоянного напряжения, обычно когда ток падает до 0,05–0,1 °С. Плавающая зарядка не требуется и может повредить литиевые батареи из-за образования литиевого покрытия. В следующей таблице приведены основные различия между зарядными устройствами для литиевых батарей 24 В и стандартными свинцово-кислотными зарядными устройствами.

Промышленные испытания подтверждают, что использование специального зарядного устройства для литиевых батарей на 24 В продлевает срок службы литиевых батарей на 30–50 процентов по сравнению с использованием зарядных устройств для свинцово-кислотных батарей. В приложениях, где батареи составляют значительную часть затрат, инвестиции в подходящее литиевое зарядное устройство быстро окупаются за счет увеличения срока службы батареи.

Понимание этапов и алгоритмов зарядки литиевой батареи

Зарядное устройство для литиевых батарей 24 В использует специальный алгоритм зарядки, разработанный для литий-ионных аккумуляторов. Понимание каждого этапа помогает покупателям убедиться, что зарядные устройства правильно настроены для их конкретного типа аккумулятора.

Стадия постоянного тока — это первая фаза зарядки, на которой зарядное устройство подает на батарею фиксированный ток при повышении напряжения. Для литиевой аккумуляторной системы напряжением 24 В типичные значения постоянного тока варьируются от 0,5C до 1,0C в зависимости от характеристик батареи и емкости зарядного устройства. Например, аккумулятор емкостью 20 ампер-часов, заряженный при температуре 0,5°С, на этом этапе получит ток 10 ампер. Стадия стабилизации тока продолжается до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет максимального заданного значения напряжения заряда, обычно 29,2 В для литий-железо-фосфатного или химического LFP и 29,4 В для лития, никеля, марганца, оксида кобальта или NMC-химического. На этом этапе происходит примерно от 70 до 80 процентов общего заряда.

Стадия постоянного напряжения начинается, когда аккумулятор достигает максимального зарядного напряжения. Зарядное устройство поддерживает это напряжение, в то время как ток постепенно снижается по мере приближения аккумулятора к полному заряду. Спад тока следует экспоненциальной кривой, начиная с постоянного значения тока и снижаясь до нуля по мере насыщения батареи. Для исправной литиевой батареи стадия постоянного напряжения обычно длится от 15 до 30 минут при скорости заряда 0,5C. Продолжительность зависит от возраста батареи, температуры и начального уровня заряда. На этом этапе аккумулятор получает оставшиеся 20–30 процентов своей емкости.

Прекращение происходит, когда зарядный ток падает ниже заданного порога, обычно от 0,05C до 0,1C емкости аккумулятора. Для аккумулятора емкостью 20 ампер-часов ток нагрузки будет составлять от 1,0 до 2,0 ампер. По завершении зарядное устройство должно полностью прекратить подачу тока. Литиевые батареи не требуют поплавковой стадии; применение постоянного плавающего напряжения приводит к образованию литиевого покрытия на аноде, постоянно снижая емкость и создавая угрозу безопасности. Качественные зарядные устройства для литиевых батарей на 24 В либо полностью отключаются, либо переходят в режим ожидания без выходного напряжения до тех пор, пока напряжение батареи не упадет ниже порога перезарядки, обычно от 26,0 до 27,0 В.

Температурная компенсация является важной функцией зарядки лития в экстремальных условиях. Хотя литиевые батареи не требуют такой же степени температурной компенсации, как свинцово-кислотные батареи, зарядное напряжение следует снижать при низких температурах ниже 10 градусов Цельсия, чтобы предотвратить образование литиевых покрытий, и снижать при высоких температурах выше 45 градусов Цельсия, чтобы предотвратить деградацию. Зарядные устройства премиум-класса оснащены датчиком температуры, который крепится к аккумулятору и соответствующим образом регулирует параметры зарядки. Для применений, в которых зарядное устройство и аккумулятор находятся в одной и той же среде, компенсации температуры окружающей среды может быть достаточно.

Протоколы связи и функции интеллектуальной зарядки

Современные зарядные устройства для литиевых батарей на 24 В включают протоколы связи, которые позволяют зарядному устройству обмениваться данными с системой управления батареями или BMS. Эта интеллектуальная возможность зарядки оптимизирует производительность и безопасность, превосходя возможности традиционных зарядных устройств.

Связь по шине CAN является наиболее распространенным протоколом для промышленных приложений и электромобилей. Зарядное устройство подключается к локальной сети контроллера автомобиля и получает данные в реальном времени от BMS, включая напряжение аккумулятора, ток, температуру, состояние заряда и максимально допустимый ток заряда. Зарядное устройство корректирует свои выходные параметры на основе этих данных, уменьшая ток заряда, если батарея слишком горячая или слишком холодная, и прекращая зарядку, если напряжение какой-либо ячейки превышает предел. Связь по шине CAN также обеспечивает удаленный мониторинг и управление автопарком, позволяя операторам отслеживать состояние зарядки нескольких транспортных средств из центрального пункта.

SMBus или связь по шине управления системой — это двухпроводной протокол, обычно используемый в небольших аккумуляторных системах, включая электроинструменты, электронные велосипеды и портативное оборудование. SMBus обеспечивает аналогичную функциональность CAN-шине, но с более низкой скоростью передачи данных и более простой проводкой. Зарядное устройство и аккумулятор обмениваются информацией о напряжении, токе, температуре и данными производителя. SMBus также поддерживает аутентификацию батарей, предотвращая использование поддельных или несовместимых батарей, которые могут создать угрозу безопасности. Для экспортных приложений часто требуется совместимость с SMBus для соответствия региональным стандартам безопасности.

Некоторые производители используют собственные протоколы связи для создания закрытых систем, в которых совместно работают только авторизованные зарядные устройства и аккумуляторы. Эти протоколы могут быть основаны на стандартных физических уровнях, таких как RS485 или RS232, с наборами команд, специфичными для производителя. Собственные протоколы позволяют производителю контролировать среду зарядки и предотвращать использование несертифицированного оборудования сторонних производителей, которое может поставить под угрозу безопасность или производительность. Для OEM-клиентов многие производители, в том числе те, которые предлагают индивидуальные решения для зарядных устройств, разрабатывают собственные протоколы в соответствии с требованиями бренда.

Светодиодные индикаторы состояния обеспечивают базовую связь даже на зарядных устройствах без цифровых протоколов. Стандартные индикаторы включают в себя включение питания, процесс зарядки, завершение зарядки и состояния неисправности. В более сложных зарядных устройствах используются многоцветные светодиоды или цифровые дисплеи для отображения процента заряда, напряжения, тока, температуры и кодов ошибок. В приложениях, где интеграция CAN-шины или SMBus невозможна, светодиодные индикаторы высокой видимости предоставляют операторам информацию, необходимую для безопасного и эффективного использования зарядного устройства.

Функции безопасности и схемы защиты при зарядке лития

Безопасность имеет первостепенное значение при зарядке литиевых батарей, которые имеют другие режимы отказа, чем свинцово-кислотные батареи. Качественное зарядное устройство для литиевых батарей на 24 В имеет несколько защитных схем для предотвращения опасных ситуаций.

Защита от перенапряжения не позволяет зарядному устройству превышать максимально безопасное напряжение для аккумулятора. Если внутренняя схема измерения напряжения зарядного устройства выходит из строя или аккумулятор отсоединяется, защита от перенапряжения отключает выход. Резервированная защита от перенапряжения использует как аппаратный, так и программный мониторинг, при этом аппаратная схема действует как окончательное отказоустойчивое устройство, независимое от микроконтроллера. Точка срабатывания по перенапряжению обычно устанавливается на 0,5–1,0 В выше нормального максимального зарядного напряжения, что обеспечивает запас и при этом защищает батарею.

Защита от обратной полярности предотвращает повреждение, если выход зарядного устройства подключен к аккумулятору с перепутанными положительными и отрицательными соединениями. Неправильная полярность может привести к повреждению зарядного устройства и аккумулятора, что может привести к возгоранию или взрыву. Методы защиты включают последовательные диоды, которые блокируют обратный ток, но снижают эффективность зарядки, МОП-транзисторы P-канала, которые отключают выход при обнаружении обратной полярности, или физические разъемы, предотвращающие неправильное подключение. Для мобильных приложений рекомендуется использовать такие конструкции разъемов, как разъемы серии Anderson Powerpole или XT, которые имеют физическую фиксацию для предотвращения перепутывания.

Защита от короткого замыкания отключает выход зарядного устройства, если положительный и отрицательный провода закорочены вместе. Это может произойти, если провода зарядного устройства соприкасаются друг с другом во время подключения аккумулятора или если изоляция кабеля повреждена. Защита от короткого замыкания обычно использует измерение тока для обнаружения чрезмерного выходного тока, а затем отключает выход в течение микросекунд. После устранения короткого замыкания зарядное устройство должно автоматически перезагрузиться или потребовать ручного сброса в зависимости от применения. Для приложений с высокой надежностью предпочтительна защита от короткого замыкания с фиксацией, требующая ручного сброса, поскольку она предупреждает оператора о возникновении неисправности.

Тепловая защита контролирует внутреннюю температуру зарядного устройства и снижает выходную мощность или отключается, если температура превышает безопасные пределы. Зарядные устройства во время работы выделяют тепло, особенно при высоких выходных токах. Если зарядное устройство установлено в замкнутом пространстве или эксплуатируется при высоких температурах окружающей среды, внутренние компоненты могут перегреться, что приведет к выходу из строя или возгоранию. Тепловая защита использует термисторы на критически важных компонентах, включая переключающие транзисторы, трансформатор и выходные выпрямители. Когда температура превышает заданное значение, обычно от 85 до 100 градусов Цельсия, зарядное устройство снижает выходной ток или вводит цикл перезапуска по времени, пока температура не нормализуется.

Выбор зарядных устройств для литиевых батарей 24 В для конкретного применения

Для различных приложений требуются определенные конфигурации зарядного устройства для литиевых батарей на 24 В. Понимание этих требований помогает покупателям выбрать правильные характеристики зарядного устройства для их оборудования и условий эксплуатации.

Для электросамокатов и велосипедов необходимы компактные и легкие зарядные устройства. Выходной ток обычно составляет от 2 до 5 ампер для стандартных батарей емкостью от 5 до 20 ампер-часов. Зарядные устройства должны иметь степень защиты IP54 или выше для использования вне помещений, а выходные кабели должны быть защищены от натяжения. Светодиодные индикаторы состояния входят в стандартную комплектацию, а в некоторых моделях добавлено подключение Bluetooth для мониторинга мобильных приложений. Для зарядных устройств для электровелосипедов, продаваемых вместе с автомобилем, требуется соответствующий разъем, например XLR, RCA или цилиндрический разъем. Для экспорта на европейские рынки зарядные устройства должны соответствовать стандарту EN 15194 для циклов с электроприводом.

Для погрузочно-разгрузочного оборудования, включая автоматические управляемые транспортные средства и домкраты для поддонов, зарядные устройства часто интегрируются в транспортное средство или в специальную зарядную станцию. Выходные токи выше, обычно от 10 до 40 ампер для батарей емкостью от 40 до 200 ампер-часов. Необходима связь с системой управления аккумуляторной батареей автомобиля с использованием шины CAN или других промышленных протоколов. Зарядные устройства для погрузочно-разгрузочных работ должны быть прочными и иметь степень защиты IP65 или выше для использования в условиях промывания. Для быстрой зарядки доступны зарядные устройства, рассчитанные на ток 1C или выше, хотя срок службы аккумулятора может сократиться при более высоких скоростях зарядки.

Для морских и автодомов литиевые зарядные устройства на 24 В должны выдерживать солевой туман, влажность и вибрацию. Выходной ток обычно составляет от 10 до 30 ампер для домашних аккумуляторных батарей емкостью от 100 до 300 ампер-часов. Распространены многозарядные устройства, которые могут заряжать несколько блоков аккумуляторов независимо друг от друга. Зарядные устройства для морского применения должны быть защищены от воспламенения, чтобы предотвратить искровое воспламенение паров топлива. Для применения в автофургонах предпочтительны бесшумные зарядные устройства, поскольку зарядное устройство может работать, пока пассажиры спят. Для морских установок зарядные устройства с дистанционными панелями позволяют осуществлять мониторинг с поста управления или из каюты.

Для солнечной зарядки доступны литиевые зарядные устройства на 24 В, предназначенные для фотоэлектрического входа, с отслеживанием точки максимальной мощности или MPPT. Алгоритм MPPT оптимизирует выходное напряжение солнечной панели, чтобы максимизировать зарядный ток аккумулятора, улучшая сбор энергии на 20–30 процентов по сравнению со стандартными зарядными устройствами. Солнечные зарядные устройства имеют функцию отключения при низком напряжении для защиты аккумулятора от чрезмерного разряда, а также выходы управления нагрузкой для управления освещением или другими нагрузками постоянного тока. В автономных системах зарядные устройства с возможностью запуска генератора автоматически запускают резервный генератор, когда напряжение аккумулятора падает ниже заданного значения.