Зарядка аккумуляторов за 10 минут

В статье излагается разработанная фирмой 10Charge ориги­нальная технология быстрой зарядки аккумуляторов, позволя­ющая заряжать герметичные свинцово-кислотные, никель-кадми­евые и никель-металлогидридные аккумуляторы менее чем за 10 минут, а литий-ионные – за 15-30 минут. При этом характерис­тики аккумуляторов не ухудшаются, а срок их службы не уменьша­ется. При быстрой зарядке уменьшается, а в некоторых случаях устраняется сульфатация аккумуляторов, являющаяся основной причиной их отказа. Исчезает также эффект “памяти”, возникаю­щий в результате неполных зарядно-разрядных циклов.

А. Мельниченко

Технология быстрой зарядки была открыта как по­бочный результат исследований в области физики плазмы, выполненных частной компанией, специали­зирующейся на исследованиях в области космоса и принадлежащей основателям фирмы 10Charge. Ре­зультатом разработки, связанной с необходимостью быстрой зарядки аккумуляторов SLA (Sealed Lead- Acid – герметичных свинцово-кислотных), обеспечи­вающих питание ртутных выключателей, стало откры­тие в области технологии зарядки. Вначале были со­зданы зарядные устройства для аккумуляторов SLA. Спустя некоторое время технология была распрост­ранена на все типы аккумуляторов, в том числе NiCd, NiMH и Li-Ion.

Толчком к разработке этой технологии явились из­мерения резонансной частоты, выполненные на ртут­ной плазме, побочным результатом чего стало опре­деление резонансных характеристик батареи SLA.

История открытия

При исследовании высокочастотной ртутной плаз­мы для определения резонансных частот, при которых достигается увеличение эффективности преобразо­вания энергии, был разработан способ тонкой регу­лировки плазмы и синхронизации ее частотой внеш­него сигнала.

Когда возникла необходимость в быстрой переза­рядке аккумуляторов, питающих плазменное устрой­ство, был опробован метод зарядки с настройкой на резонансную частоту, а также сформулированы ос­новные требования, которым должен удовлетворять этот метод:

• продолжительность зарядки аккумуляторов долж­на быть в пределах 10-15 минут
• метод зарядки не должен снижать срок службы и ухудшать характеристики аккумулятора
• процесс зарядки должен быть безопасным.

К удивлению инженеров эти требования удалось полностью выполнить.

В принципе метод мало отличается от настройки телевизора или приемника на какую-либо станцию (при точной настройке слышимость наилучшая, а при отклонении от частоты станции растет уровень по­мех).

Было установлено, что с увеличением разности между частотой зарядного тока и резонансной часто­той аккумулятора продолжительность зарядки увели­чивается.

Определение резонансной частоты аккумулятора

Процесс зарядки начинается с определения ре­зонансной частоты аккумулятора. В ранних моделях зарядных устройств эта частота была фиксирован­ной и зависела лишь от типа аккумулятора. С течени­ем времени в зарядные устройства стали встраи­ваться генераторы изменяемой частоты, позволяю­щие определять резонансную частоту каждого акку­мулятора.

В процессе зарядки аккумулятора фиксированным током оператор, используя генератор с переменной частотой, выполняет измерения в диапазоне от 500 до 2500 Гц, определяя резонансную частоту аккуму­лятора, при которой его сопротивление минимально (рис. 1). Значение резонансной частоты заносится в память. На этой частоте зарядка осуществляется с максимальной эффективностью, негативные явления отсутствуют.

Частота резонанса зависит, главным образом, от типа аккумулятора. Например, аккумулятор SLA име­ет частоту резонанса приблизительно 800 Гц, а акку­мулятор Li-Ion – 2.2 кГц. Кроме того, на значение резонансной частоты оказывают влияние и габариты ак­кумулятора.

Рис. 1. Определение резонансной частоты аккумулятора

Рис. 2. Цикл зарядки

Циклы зарядки показаны на рис. 2. Они состоят из импульсов зарядного тока, частота которых равна ре­зонансной, и двух переходных интервалов, между ко­торыми расположен период разрядного тока с про­граммируемой величиной и длительностью. В заряд­ном устройстве используются циклы зарядки, форма которых показана на рис. 3. Они состоят из серии им­пульсов (А), за которой следуют переходные интерва­лы с разрядным импульсом (В), затем – импульс тока постоянной величины (С) и снова переходные интер­валы с разрядным импульсом. Длительность такого цикла составляет примерно 2 с.

Описание процесса зарядки

Зарядка начинается с проверки текущего состоя­ния аккумулятора. Если при этом оказывается, что ак­кумулятор полностью заряжен, загорается индикатор, свидетельствующий о том, что необходимость заряд­ки отсутствует.

Если подключенный к зарядному устройству акку­мулятор разряжен частично или полностью, процесс зарядки начинается с определения резонансной час­тоты, с которой будут следовать зарядные импульсы. Этот процесс выполняется автоматически и занимает около 10 с.

После определения частоты резонанса процессор заносит ее в память, затем начинается двухминутный период тестирования. В течение этого периода опре­деляется количество энергии, запасенной аккумуля­тором, его способность к быстрой зарядке и проводи­мость. Если внутреннее сопротивление аккумулятора слишком мало (т.е. аккумулятор не готов к быстрой зарядке), процесс зарядки прерывается. В этом слу­чае пользователь должен выполнить форматирование аккумулятора, используя обычное аналоговое заряд­ное устройство. Если же состояние аккумулятора по­зволяет осуществить быструю зарядку, она выполня­ется циклами, как показано на рис. 3. Цикл зарядки начинается с того, что в течение 800 мс через аккуму­лятор протекают импульсы зарядного тока макси­мальной величины, следующие с резонансной частотой (секция А на рис. 3). После этого следует переходный интервал длитель­ностью 12 мс, разрядный им­пульс длительностью 8 мс (Ik на рис. 3) и второй переходный ин­тервал длительностью 180 мс (секция В на рис. 3). После этого через аккумулятор протекает постоянный зарядный ток, продолжительность протека­ния которого равна времени протекания импульсного тока резонансной частоты – 800 мс (секция С на рис. 3). Завершается цикл переходными интервалами с разрядным импульсом между ними. Циклы повторя­ются до тех пор, пока аккумулятор не будет полностью заряжен (рис. 4).

Рис. 3. Цикл зарядки, реализуемый в зарядном устройстве

Момент окончания зарядки определяется по на­пряжению на аккумуляторе. Управляющий процес­сор автоматически завершает зарядку, когда напря­жение достигает заданного значения, при этом заго­рается индикатор окончания процесса зарядки. Тех­нология быстрой зарядки, разработанная фирмой 10Charge, допускает зарядку аккумуляторов до бо­лее высокого напряжения, чем в обычных зарядных устройствах. Эти напряжения записаны в память процессора, чтобы предотвратить выход аккумуля­торов из строя.

Рис. 4. Начальный период работы зарядного устройства

Оборудование для экспериментальных исследований

Для экспериментального исследования поведе­ния аккумуляторов во время быстрой зарядки была использована измерительная система, включающая следующее оборудование (рис. 5):

• компьютер (A), используемый для управления и сбора данных (с 12-разрядным аналогово-цифро­вым преобразователем PCL-718 фирмы Advan- tech)
• блок управления (B), состоящий из управляемых компьютером аналоговых переключателей, ком­мутирующих аккумуляторы в заданной последо­вательности
• зарядное устройство (C), разработанное фирмой 10Charge
• 4 аккумулятора SLA фирмы Panasonic, 12 В, 7.2 А-ч (D)

• нагрузочное устройство (E), управляемое ком­пьютером (ток нагрузки от 1 до 400 А)
• интегратор (F) для преобразования сигналов, по­ступающих от блока управления (B), в формат, удобный для ввода в компьютер.

Измерительная система позволяет выполнять полный цикл зарядки и разрядки аккумуляторов, что необходимо для сбора данных, касающихся срока их службы. Большая гибкость системы позволяет заря­жать и разряжать до 4 аккумуляторов в любой после­довательности, например, выполнить зарядку 4 акку­муляторов друг за другом, после чего они могут быть поставлены на разрядку в той же последовательнос­ти; аналогичную зарядку одного, двух, трех или четы­рех аккумуляторов; зарядку любого аккумулятора, по­сле чего (с двухминутной паузой для стабилизации электрохимического состояния) он включается на разрядку, в то время как начинается зарядка следую­щего аккумулятора.

Рис. 5. Блок-схема измерительной системы

Методика измерения

Измерения выполнялись круглосуточно под уп­равлением компьютера в помещении с температу­рой 19-23 °C и относительной влажностью около 50%. В испытаниях были использованы 4 аккумуля­тора.

Первый аккумулятор заряжался в течение 10 ми­нут, затем после двухминутной паузы разряжался в течение около 35 минут до напряжения 11 В. Заряд­ный цикл каждого последующего аккумулятора начи­нался одновременно с разрядным циклом предыду­щего. После того, как все 4 аккумулятора разряжа­лись, весь цикл повторялся.

Данные (разрядный ток, время разрядки, началь­ное и конечное напряжение аккумуляторов) регистри­ровались на компьютере, анализировались и преоб­разовывались в формат Microsoft Excel, удобный для демонстрации.