Як прискорити заряджання акумулятора, не порушуючи правил його експлуатації

Останнім часом актуальним стало не лише питання часу живлення від автономних джерел енергії, а й швидкості їх заряджання. Люди часто скаржаться в коментарях на повільне заряджання своїх свинцевих і літієвих акумуляторів, але не розуміють, як можна прискорити цей процес «законними методами». Сьогодні спробую пояснити, чому так відбувається і що можна зробити.

Як завжди, нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Як передмова.
Нічого особливо нового чи незвичного я не розповім, багато хто з вас і так усе це чудово знає, але, як показала практика, чимало людей просто не надають цьому значення, а дарма.


Останнім часом є відомі проблеми з електропостачанням. Думаю, не треба розповідати, які саме, і нагадувати, через кого, але проблема є, і її треба розв’язувати.
Отже, намагаючись розв’язати проблему, ми йдемо до магазину або замовляємо через інтернет велику батарею, інвертор і, звісно, зарядний пристрій, отримуємо, збираємо все докупи й намагаємося якось із цим жити. Але проблема з вимкненням світла — це лише половина проблеми: іноді перерви між увімкненнями бувають досить короткими, а нам за цей час треба зарядити батарею. І виявляється, що батарея ну ніяк не хоче швидко заряджатися.

Найчастіше використовують зарядні пристрої, показані нижче на фото. Не вдаватимуся в тонкощі схемотехніки та різні інші особливості, але зверну вашу увагу на... дроти від них. У більшості таких зарядних пристроїв дроти не лише тонкі, а й довгі, та й це ще не все: деякі користувачі додатково їх подовжують.


А тепер поясню, у чому полягає помилка і як її можна виправити, прискоривши таким чином заряджання акумулятора. Будуть графіки, але вони потрібні, щоб наочно пояснити принцип заряджання та його особливості.

Наприклад, ось графік заряджання свинцево-кислотної батареї. Нас цікавить точка перетину червоної та синьої кривих: синя — це напруга на клемах акумулятора, а червона — струм заряджання.
Видно, що в міру заряджання напруга зростає, що логічно, а струм стабілізований, тому вгорі маємо пряму лінію. Щойно криві перетинаються, струм починає спадати, а напруга залишається незмінною.
Перша фаза — власне заряджання стабільним струмом, CC
Друга фаза — заряджання стабільною напругою, CV

Також видно, що в другій фазі струм спадає, але час іде так само, тому швидкість заряджання явно знижується.



Причина в тому, що акумулятор має внутрішній опір. Насправді все значно складніше, але давайте максимально спростимо й усе-таки називатимемо його внутрішнім опором.
Спрощено акумулятор можна уявити як певний ідеальний елемент, паралельно до якого під’єднано опір (Rp), що створює струм саморозряджання, а послідовно — внутрішній послідовний опір (вибачте за тавтологію) Rs.
Перше нас зараз мало цікавить, а от друге в цьому випадку дуже важливе.


Що дає внутрішній послідовний опір? По-перше, втрати, а по-друге, через падіння напруги на ньому зарядний пристрій вважатиме, що час переходити до фази заряджання напругою, хоча насправді напруга на самому елементі ще не досягла напруги завершення заряджання.

Ось, наприклад, два графіки: той самий акумулятор, той самий зарядний пристрій, але струми заряджання відрізняються в кілька разів.
На першому графіку видно, що друга фаза заряджання зовсім коротка, і це добре: отже, наш акумулятор заряджається максимально ефективно.


Але ось ми збільшили струм заряджання — акумулятор мав би заряджатися пропорційно швидше, та ні, так не буває: видно, що друга фаза заряджання значно розтягнулася.
Тут ми бачимо не лише особливості хімічних процесів, а й вплив внутрішнього опору.


Ви, звісно, запитаєте: а до чого тут дроти? А до того, що вони ввімкнені послідовно з акумулятором і збільшують внутрішній опір. На схемі праворуч їх саме й додано до нашого акумулятора. І що довші дроти, то сильніше вони впливають на другу фазу заряджання.


Тобто виходить, що замість заряджання акумулятора ми лише нагріваємо дроти. Це більшою мірою стосується свинцево-кислотних і «звичайних» літій-іонних акумуляторів, адже в них схожі криві заряджання.
Із літій-залізо-фосфатними ситуація дещо краща: наприкінці заряджання (і розряджання) крива в них має дуже крутий нахил, тож до моменту завершення заряджання ми швидко доходимо вже з малим струмом, і опір проводів мало впливає.



Тепер подивімося, який вигляд мають наш зарядний пристрій та акумулятор «у розрізі».
Вузол задання струму стабілізує струм заряджання й відповідає за першу фазу заряджання.
Вузол задання напруги обмежує вихідну напругу й відповідає за другу фазу заряджання.

Для прикладу: довжина проводів від зарядного пристрою до акумулятора — 1 метр, переріз — 0.75мм.кв, струм заряджання — 8 ампер. Падіння напруги на проводах (якщо вони справді мідні, перерізом 0.75мм) становитиме близько 0.36 вольта, що, на мій погляд, доволі багато. А якщо проводи не мідні? А якщо вони довші за один метр?


Коли ви підключали потужні інвертори, то, гадаю, помічали, що проводи до них часто нагріваються під час роботи. Рішення просте: збільшити переріз проводів і максимально зменшити їхню довжину. Тут усе так само: викидаємо китайські проводи зі суміші фольги й картону та ставимо нормальні, з добрим перерізом, заодно вкоротивши їх до мінімуму.


Попереднє рішення підійде тим, хто в електроніці «не тямить», а це — вже для досвідченіших.

Якщо розділити кола задання струму та вимірювання напруги, то можна взагалі усунути вплив проводів. Це називається «чотирипровідною схемою підключення».
Щоправда, тут є певні складнощі. Наприклад, якщо відокремити плюсовий вимірювальний провід від силового зазвичай не становить жодних труднощів, то з мінусовим можуть виникнути проблеми. Але навіть відокремлення одного проводу, тобто перетворення двопровідної схеми на трипровідну, «віртуально» вдвічі зменшить довжину проводів до батареї (якщо не вдаватися до хитрощів із корекцією).


На жаль, такі схеми підключення — як трипровідна, так і чотирипровідна — мають один суттєвий недолік: у разі обриву вимірювального проводу ваш зарядний пристрій заряджатиме акумулятор, доки той увесь не википить або не почервоніє.
Щоб цього не сталося, силові та вимірювальні проводи треба з’єднати через резистор, опір якого буде значно більшим за опір проводів, але водночас значно меншим за опір вимірювального входу, щоб не вносити похибку. Думаю, для більшості випадків достатньо номіналу близько 100-300 Ом.


У цьому разі, якщо проводи обірвуться, з’єднання вимірювального входу із силовим усе одно залишиться. І хоча напруга може трохи зрости, це буде незначне й безпечне для акумулятора підвищення.


Звісно, загалом процес заряджання ви не пришвидшите, але, з іншого боку, якщо свинцевий акумулятор заряджається у вас близько 5-7 годин, то зекономлені пів години точно не будуть зайвими.

До речі, під час тестування різних акумуляторів я використовую саме чотирипровідне підключення і скажу, що так, із таким підключенням заряджання справді помітно швидше, ніж зі звичайним зарядним пристроєм.

У статті використано матеріали з оглядів —
YR1030, міліомметр для вимірювання малих опорів і внутрішнього опору акумуляторів
Універсальний тримач акумуляторів із чотирипровідним підключенням

На цьому все. Сподіваюся, ця стаття допоможе пережити труднощі. Як завжди, буду радий запитанням. Відповідаю із затримками, але все ж намагаюся відповідати всім.