شارژ باتری‌های سربی اسیدی
باتری سربی-اسیدی از روش شارژ جریان ثابت – ولتاژ ثابت constant current constant voltage (CCCV) استفاده می‌کند. جریان تنظیمی ولتاژ ترمینال را افزایش می‌دهد تا به مقدار حد بالایی ولتاژ شارژ برسد و در این نقطه به دلیل اشباع جریان افت می‌کند. زمان شارژ بین ۱۲ تا ۱۶ ساعت و برای باتری‌های ثابت بزرگ بین ۳۶ تا ۴۸ ساعت است. با جریان‌های شارژ بالاتر و روش‌های شارژ چند مرحله‌ای می‌توان زمان شارژ را به ۸ تا ۱۰ ساعت کاهش داد اما در این صورت مرحله شارژ با ولتاژ ثابت به طور کامل انجام نمی‌شود. شارژ باتری سربی-اسیدی آهسته انجام می‌شود و نمی‌توان این باتری‌ها را با سرعت شارژ سیستم‌های دیگر شارژ کرد.
پیشنهادی: باتری های سربی اسیدی چگونه کار می‌کنند را مطالعه کنید.
در روش جریان ثابت – ولتاژ ثابت برای شارژ باتری‌های سربی-اسیدی سه مرحله دنبال می‌شود که عبارتند از:
1. شارژ جریان ثابت
2.شارژ ولتاژ ثابت و
3. شارژ شناور
شارژ جریان ثابت بخش عمده‌ای از فرآیند شارژ را انجام داده و تقریباً نصف زمان شارژ صرف این مرحله می‌شود؛ شارژ ولتاژ ثابت با جریان شارژ کمتری ادامه یافته و سبب اشباع می‌شود و شارژ شناور تلفات ناشی از دشارژ داخلی را جبران می‌کند.
باتری در مرحله شارژ جریان ثابت طی ۵ تا ۸ ساعت حدود ۷۰ درصد شارژ می‌شود؛ ۳۰ درصد ظرفیت باقیمانده با سرعت شارژ کمتر در حالت ولتاژ ثابت پر شده که ۷ تا ۱۰ ساعت دیگر به طول می‌انجامد. شارژ ولتاژ ثابت برای سلامت باتری ضروری است و می‌توان آن را با استراحت کوتاه مدتی پس از صرف وعده‌ای مناسب مقایسه کرد. اگر به طور پیوسته از این مرحله صرف نظر شود، باتری در نهایت توانایی خود در پذیرش شارژ کامل را از دست داده و عملکرد آن به خاطر پدیده سولفاتاسیون افت می‌کند. شارژ شناور مرحله سوم شارژ است که باتری را در حالت شارژ کامل حفظ می‌کند. شکل ۱ این سه مرحله را به تصویر کشیده است.
| شکل ۱: مراحل شارژ باتری سربی-اسیدی.باتری زمانی به طور کامل شارژ می‌شود که جریان به سطح آستانه پایین برسد. ولتاژ شناور کاهش می‌یابد. شارژ شناور کار جبران‌سازی دشارژ داخلی را بر عهده دارد که در تمام باتری‌ها دیده می‌شود.
با تشکر از شرکت کَدِکس. |
رفتن از مرحله ۱ به ۲ به صورت آهسته و پیوسته انجام می‌شود و زمانی رخ می‌دهد که باتری به حد ولتاژ آستانه برسد. با آغاز اشباع باتری، جریان افت می‌کند؛ شارژ کامل زمانی انجام می‌شود که جریان به ۳ تا ۵ درصد آمپرساعت اسمی برسد. باتری با نشت بالا ممکن است هرگز به این میزان جریان اشباع پایین نرسد و در این صورت یک زمان‌سنج با مقدار تنظیمی ثابت وظیفه پایان شارژ را بر عهده دارد.
تنظیم صحیح حد ولتاژ شارژ بسیار مهم بوده و در محدوده ۲.۳۰ تا ۲.۴۵ ولت به ازای هر سلول قرار دارد. تنظیم آستانه ولتاژ نیازمند برقراری توازنی است که متخصصان باتری از آن با عنوان «رقصیدن روی کلاهک سنجاق» یاد می‌کنند. از یک سو، باتری می‌خواهد به طور کامل شارژ شود تا به حداکثر ظرفیت خود برسد و مانع از سولفاتاسیون روی صفحه منفی شود؛ از سویی دیگر، اشباع بیش از حد به خاطر رفتن به حالت شارژ شناور سبب خوردگی شبکه روی صفحه مثبت می‌شود. همچنین این موضوع به افزایش حجم گاز و از دست دادن آب منجر می‌شود.
دما ولتاژ را تغییر می‌دهد و این امر «رقصیدن روی کلاهک سنجاق» را دشوارتر می‌کند. محیطی گرم‌تر به مقدار آستانه ولتاژ کمتری نیاز دارد و در دمای سردتر ارجحیت با مقدار آستانه بالاتر است. شارژرهایی که در معرض نوسانات دمایی قرار دارند دارای حسگرهای دمایی هستند تا ولتاژ شارژ را برای بازدهی بهینه شارژ تنظیم کنند.
پیشنهادی: شارژ در دمایهای بالا و پایین را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
ضریب دمایی شارژ سلول سربی-اسیدی برابر با است. اگر را نقطه میانی در نظر بگیریم، به ازای هر درجه افزایش دما بیشتر از ، ولتاژ شارژ باید به اندازه به ازای هر سلول کاهش یابد و به ازای هر درجه کاهش دما پایین‌تر از ، به اندازه افزایش یابد. اگر اینکار امکان‌پذیر نیست بهتر است به دلایل امنیتی ولتاژ پایین‌تری را در نظر بگیریم. جدول ۲ مزایا و محدودیت‌های ولتاژهای پیک تنظیمی مختلف را با هم مقایسه کرده است.
| ۲.۳۰ ولت تا ۲.۳۵ ولت به ازای سلول | ۲.۴۰ ولت تا ۲.۴۵ ولت به ازای سلول | |
| مزایا | بیشترین طول عمر؛ خنک ماندن باتری؛ دمای شارژ می‌تواند بیشتر از باشد. | قرائت ظرفیت‌های بالاتر و با ثبات‌تر؛ سولفاتاسیون کمتر. |
| محدودیت‌ها | زمان شارژ آهسته؛ ممکن است قرائت ظرفیت‌ها ثبات نداشته باشد و با گذشت هر سیکل کاهش یابد. سولفاتاسیون ممکن است بدون شارژ یکنواخت‌سازی رخ دهد. | مستعد خوردگی و افزایش حجم گاز. نیازمند آب‌رسانی دوباره. نامناسب برای شارژ در دماهای بالای محیط که باعث اورشارژ شدید می‌شود. |
جدول ۲: اثرات ولتاژ شارژ روی باتری‌های سربی-اسیدی کوچک.
سلول‌های سربی-اسیدی استوانه‌ای، ولتاژهای تنظیمی بالاتری نسبت به باتری‌های سربی-اسیدی با شیر تنظیم و راه‌انداز دارند.
وقتی که باتری از طریق اشباع به طور کامل شارژ شد نباید بیش از ۴۸ ساعت در حالت ولتاژ ثابت قرار داشته باشد و مقدار آن باید به سطح ولتاژ شناور کاهش یابد. این مورد برای سیستم‌های بدون منفذ بسیار مهم است چون نسبت به نوع غرق‌آبی مقاومت کمتری نسبت به اورشارژ دارند. شارژ فراتر از حدود مشخص شده انرژی اضافی را به حرارت تبدیل کرده و باعث تولید گاز در باتری می‌شود.
ولتاژ شناور توصیه شده برای اکثر باتری‌های سربی-اسیدی غرق‌آبی ۲.۲۵ تا ۲.۲۷ ولت به ازای هر سلول است. باتری‌های ثابت بزرگ در دمای معمولاً ولتاژ شناور ۲.۲۵ ولت به ازای سلول دارند. تولید کننده‌ها توصیه می‌کنند وقتی دمای محیط بالاتر از شد، ولتاژ شارژ شناور را کاهش دهیم.
شکل ۳ عمر باتری سربی-اسیدی را نشان می‌دهد که ولتاژ شناوری بین ۲.۲۵ تا ۲.۳۰ ولت به ازای سلول داشته و در دمای بین تا یعنی ( تا ) بوده است. بعد از ۴ سال کار، افت ظرفیت دائم مشهود بوده و به زیر ۸۰ درصد می‌رسد. اگر باتری دشارژهای عمیق دوره‌ای را تجربه کند، این میزان افت افزایش می‌یابد. افزایش حرارت نیز باعث کاهش عمر باتری می‌شود.
پیشنهادی: حرارت و بارگذاری چه تأثیری بر عمر باتری دارند را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
شکل ۳: افت ظرفیت در حالت آماده به کار
با فراهم کردن شرایط دمایی متوسط و ولتاژ شناور ۲.۲۵ تا ۲.۳۰ ولت به ازای سلول می‌توان افت ظرفیت را به حداقل رساند.
منبع: پاور-سونیک
همه شارژرها از ویژگی شارژ شناور پشتیبانی نمی‌کنند و وسایل نقلیه جاده‌ای کمی هستند که چنین امکانی داشته باشند. اگر شارژر شما در حالت شارژ ولتاژ ثابت باقی می‌ماند و به زیر ۲.۳۰ ولت به ازای سلول نمی‌رسد، شارژر را پس از ۴۸ ساعت جدا کنید. شارژ دوباره را هر ۶ ماه و در زمان ذخیره‌سازی انجام دهید؛ این کار را برای باتری‌های AGM هر ۶ تا ۱۲ ماه یکبار انجام دهید.
تنظیمات ولتاژی تشریح شده برای سلول‌های غرق‌آبی و باتری‌های با شیر اطمینان فشار حدود ۳۴ کیلوپاسکال (۵ پی.اس.آی) بکار می‌روند. باتری سربی-اسیدی بدون منفذ استوانه‌ای مثل سلول هاوکر سیکلون Hawker Cyclon به ولتاژ تنظیمی بالاتری نیاز دارند و حدود مربوط به آن‌ها باید مطابق با مشخصات ارائه شده توسط تولید کننده تنظیم شوند. ناتوانی در اعمال ولتاژ پیشنهادی سبب کاهش تدریجی ظرفیت به خاطر سولفاتاسیون می‌شود. سلول هاوکر سیکلون مقدار تنظیمی ۳۴۵ کیلوپاسکال (۵۰ پی.اس.آی) برای فشار اطمینان دارد. این ویژگی امکان بازترکیب گاز‌های تولید شده حین شارژ را به وجود می‌آورد.
در زمان تنظیم ولتاژ شارژ شناور، مسئله فرسوده شدن باتری‌ها با چالش مواجه می‌شود چون هر سلول شرایط منحصر به فرد خودش را دارد. سلول‌ها که همه آن‌ها به صورت رشته پشت سر هم متصل می‌شوند، جریان شارژ یکسانی را دریافت می‌کنند و کنترل هر سلول برای اینکه همه آن‌ها به ظرفیت کامل برسند تقریباً غیرممکن است. ممکن است سلول‌های ضعیف وارد حالت اورشارژ شوند در حالیکه سلول‌های قوی همچنان تشنه شارژ شدن باشند. جریان شناوری که برای سلول شارژ شده بسیار بالا است، ممکن است به خاطر عدم تکمیل شارژ سلول همسایه سبب سولفاتاسیون آن شود. دستگاه‌های تعادل سلولی وجود دارند که کار جبران‌سازی اختلافات ولتاژهای ناشی از عدم تعادل سلول را بر عهده دارند.
ولتاژ ریپل برای باتری‌های ثابت بزرگ مشکل ایجاد می‌کند. پیک ولتاژ وضعیت اورشارژ ایجاد کرده و سبب رشد هیدروژن می‌شود و در عین حال دره ولتاژ سبب دشارژ مختصری می‌شود که وضعیت تشنه شارژ را ایجاد می‌کند و نتیجه آن تخلیه الکترولیت است. تولید کنندگان ریپل ولتاژی شارژ را ۵ درصد در نظر می‌گیرند.
مطالب زیادی درباره شارژ پالسی باتری‌های سربی-اسیدی برای کاهش سولفاتاسیون ارائه شده است. نتایج قاطعانه نیستند و تولید‌کنندگان و همچنین تکنسین‌های خدماتی نیز درباره مزایای آن دو دیدگاه مختلف دارند. اگر بتوان سولفاتاسیون را اندازه‌گیری کرد و میزان درستی از پالس را اعمال کرد، در این صورت این راه‌حل می‌تواند کارساز باشد؛ به هر حال ارائه راهکاری بدون در نظر گرفتن اثرات جانبی می‌تواند برای باتری مضر باشد.
اکثر باتری‌های ثابت در حالت شارژ شناور حفظ می‌شوند و این روش نتیجه معقولی داشته است. روش دیگر شارژ پسماندی است که وقتی باتری وارد حالت آماده به کار می‌شود، جریان شناور را قطع می‌کند. باتری اساساً در حالت ذخیره‌سازی است و فقط گهگاهی برای اعمال شارژ ولتاژ ثابت به منظور پر کردن مجدد انرژی از دست رفته به خاطر دشارژ داخلی یا زمانی که باری بر آن اعمال می‌شود، «انرژی قرض می‌گیرد.» این حالت برای موقعیت‌هایی مناسب است که در زمان آماده به کار باری از باتری گرفته نمی‌شود.
باتری‌های سربی-اسیدی همیشه باید در حالت شارژ شده حفظ شوند. شارژ ولتاژ ثابت باید هر ۶ ماه انجام شود تا مانع از افت ولتاژ به زیر سطح ۲.۰۵ ولت به ازای سلول و سبب سولفاتاسیون باتری شود. برای AGM می‌توان از این الزامات صرف نظر کرد.
سنجش ولتاژ مدار باز ( ) در زمان ذخیره‌سازی، شاخص قابل اطمینانی برای سطح شارژ باتری است. ولتاژ سلول ۲.۱۰ ولت در دمای اتاق نشان دهنده سطح شارژ حدود ۹۰ درصدی است. چنین باتری در شرایط مناسبی قرار داشته و قبل از استفاده فقط به شارژ کامل مختصری نیاز دارد.
پیشنهادی: نحوه سنجش سطح شارژ را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
در زمان سنجش ولتاژ مدار باز، دمای ذخیره‌سازی را نیز رصد کنید. باتری سرد باعث کاهش اندکی در ولتاژ شده و باتری گرم سبب افزایش آن می‌شود. وقتی باتری چند ساعتی استراحت کرده باشد، استفاده از برای برآورد سطح شارژ بهترین نتیجه را دارد چون شارژ یا دشارژ سبب تحریک باتری و اعوجاج ولتاژ می‌شوند.
اگر در بررسی اولیه باتری کمتر از ۲.۱۰ ولت به ازای سلول باشد، برخی از خریداران محصول دریافت شده را نمی‌پذیرند. ولتاژ کم نشان دهنده شارژ جزئی ناشی از ذخیره‌سازی طولانی مدت یا دشارژ داخلی زیاد ناشی از اتصال کوتاهی ریز است. کاربران باتری دریافته‌اند که باتری دریافتی با ولتاژی کمتر از ولتاژ مشخص شده، نرخ خرابی بیشتری نسبت به باتری‌های با ولتاژ بالاتر دارد. گرچه عملکرد در شرایط محفوظ و سر بسته اغلب می‌تواند باعث عملکرد کامل باتری‌ها شود ولی زمان و تجهیزات مورد نیاز سبب افزایش هزینه‌های عملیاتی می‌شوند. (دقت شود که مقدار آستانه مطلوب ۲.۱۰ ولت به ازای سلول برای همه انواع باتری‌های سربی-اسیدی اعمال نمی‌شود.)
باتری‌های سربی-اسیدی تحت دمای مناسب و جریان شارژ کافی، بازدهی شارژ بالایی دارند. همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده، استثنا آن مربوط به شارژ در دمای و جریان‌های پایین است. باتری‌های سربی-اسیدی از نظر بازدهی بالا با باتری‌های یون لیتیوم مشترک هستند که بازدهی نزدیک به ۹۹ درصد دارند.
پیشنهادی: BU-409: شارژ باتری‌های یون لیتیوم را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
پیشنهادی: چه عواملی سبب مرگ باتری‌های یون لیتیوم می‌شوند را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
شکل ۴: بازدهی شارژ باتری‌های سربی-اسیدی.
باتری‌های سربی-اسیدی تحت دمای مناسب و جریان شارژ کافی، بازدهی شارژ بالایی دارند.
منبع: پاور-سونیک
بحث درباره شارژ سریع
توصیه تولید کنندگان نرخ-C شارژ برابر با است اما باتری‌های سربی-اسیدی بدون تولید اکسیژن و تخلیه آب می‌توانند با نرخ بالاتر ۸۰ درصد سطح شارژ نیز شارژ شوند. اکسیژن تنها زمانی تولید می‌شود که باتری در وضعیت اورشارژ باشد. شارژر جریان ثابت – ولتاژ ثابت سه مرحله‌ای با محدودسازی ولتاژ شارژ به ۲.۴۰ ولت به ازای سلول (۱۴.۴۰ ولت برای ۶ سلول) و سپس کم کردن آن به مقدار شارژ شناور در حدود ۲.۳۰ ولت به ازای سلول (۱۳.۸ ولت برای ۶ سلول) در شارژ کامل، مانع از رخداد این پدیده می‌شود. این مقادیر ولتاژهای کمتر از مرحله تولید گاز هستند.
آزمایش‌ها نشان می‌دهند با تعدیل جریان تا رسیدن به شارژ کامل و وقتی که باتری سربی-اسیدی به حدود ۲.۳ ولت به ازای هر سلول (۱۴ ولت برای ۶ سلول) می‌رسد، می‌توان تا حداکثر سرعت باتری را شارژ کرد. وقتی سطح شارژ پایین است، پذیرش شارژ در بیشترین مقدار قرار دارد و با پر شدن باتری از بین می‌رود. در شارژ سریع، سطح سلامت و دمای باتری نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند. اطمینان یابید که باتری در زمان شارژ «به جوش نیاید» و یا حرارتش زیاد نشود. وقتی باتری را با نرخ C بیشتر از مقدار توصیه شده تولید کننده شارژ می‌کنید، باتری را دقیقاً تحت نظر داشته باشید.
آب‌رسانی
آب‌رسانی تنها گام با بیشترین اهمیت در حفظ باتری سربی-اسیدی غرق‌آبی است؛ الزامی که در اغلب موارد از آن غفلت می‌شود. تناوب آب‌رسانی به میزان مصرف، روش شارژ و دمای کاری وابسته است. اورشارژ نیز منجر به مصرف آب می‌شود.
باتری جدید را باید هر چند هفته بررسی کرد تا بتوان الزام آب‌رسانی آن را برآورد نمود. اینکار تضمین می‌کند که سطح بالایی صفحات همیشه در معرض آب هستند. صفحه‌ای که در معرض آب نباشد، به خاطر اکسیاش آسیب جبران‌ناپذیری را متحمل می‌شود و این امر به کاهش ظرفیت و عملکرد ضعیف‌تر منجر می‌شود.
اگر سطح الکترولیت کاهش یافت، فوراً باتری را با آب مقطر یا دیونیزه پر کنید. ممکن است در برخی نواحی استفاده از آب لوله‌کشی هم قابل قبول باشد. قبل از شارژ سطح آب را به سطح مناسب نرسانید چون ممکن است در زمان شارژ سرریز رخ دهد. همیشه بعد از شارژ سطح آب را به میزان مطلوب برسانید. هرگز به آن الکترولیت اضافه نکنید چون اینکار سبب افت وزن مخصوص و افزایش خوردگی می‌شود. سیستم‌های آب‌رسانی با اضافه کردن خودکار میزان مناسبی از آب باعث حذف الکترولیت می‌شوند.
راهبردهایی ساده برای شارژ باتری‌های سربی-اسیدی
- شارژ را در محیطی با تهویه مناسب انجام دهید. گاز هیدروژن تولید شده در زمان شارژ خاصیت احتراقی دارد.
پیشنهادی: نگرانی‌های مربوط به سلامت باتری‌ها را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
- برنامه شارژ مناسبی را برای باتری‌های غرق‌آبی، ژلی و AGM انتخاب کنید. مقادیر توصیه شده برای آستانه ولتاژ را در مشخصات ارائه شده تولید کننده جستجو کنید.
- بعد از هر بار استفاده از باتری‌های سربی-اسیدی، به منظور جلوگیری از سولفاتاسیون، آن‌ها را دوباره شارژ کنید. این باتری‌ها را در شرایط سطح شارژ پایین نگه ندارید.
- صفحات باتری‌های غرق‌آبی باید همیشه به طور کامل زیر سطح الکترولیت قرار داشته باشند. اگر سطح الکترولیت کاهش یافت، باتری را با آب مقطر یا دیونیزه پر کنید. هرگز به آن الکترولیت اضافه نکنید.
- بعد از شارژ باتری، مقدار آب آن را به سطح مشخص شده برسانید. وقتی باتری سطح شارژ پایینی داشته باشد، پر کردن بیش از حد سبب سرریز اسید در زمان شارژ می‌شود.
- تشکیل حباب‌های گاز در باتری‌های سربی-اسیدی غرق‌آبی نشان دهنده قرار گرفتن باتری در سطح شارژ کامل است. (هیدروژن روی صفحه منفی و اکسیژن روی صفحه مثب ظاهر می‌شود.)
- اگر دمای محیط بالاتر از است، ولتاژ شارژ شناور را کاهش دهید.
- نگذارید باتری سربی-اسیدی یخ بزند. باتری خالی سریع‌تر از باتری کاملاً شارژ شده یخ می‌زند. هرگز باتری یخ زده را شارژ نکنید.
- از شارژ کردن باتری در دماهای بالاتر از پرهیز کنید.
