АКБ-одна из основных элементов оборудования автономного и резервного электроснабжения, ее стоимость составляет около 50% от стоимости всего оборудования.
Не бывает АБ с одинаковой емкостью при равных заявленных значениях, АБ одного производителя из одной партии будут иметь различные реальные емкости.
Картинка ниже показывает реальную ситуацию, которая происходит в аккумуляторной сборке из последовательно включенных АБ и почему они заряжаются неравномерно. Смотрим рис 1.
Рис 1.
Желтым – выделены “разряженные намазки”. Зеленым – заряженные, в которых все вещества прореагировали.
Объяснение этому дисбалансу простое: аккумулятор при заряде (разряде) имеет нелинейную ВАХ (Вольт-Амперная характеристика). Если сравнить два идентичных элемента с разным уровнем заряда при равном токе заряда, сопротивление будет расти по мере заряда при любом токе – хоть при 1А, хоть при 0.01А!!
Активное сопротивление и внутреннее сопротивление аккумулятора имеют прямую зависимость! Например, зарядный ток в 2 Ампера для разряженного элемента изменит напряжение на нем всего на несколько десятых Вольта. То же действие с заряженным элементом приведет к лавинообразному скачку напряжения на несколько Вольт и кипению электролита. Из этого следует (цифры приблизительные):
Rвн. разряж=0,2В/2А=0.1 Ом < Rвн. заряж=2В/2А=1 Ом
С течением времени заряда ток будет падать, напряжение расти. То же самое будет происходить, если мы подключим к этому же источнику питания переменный резистор и станем крутить ручку в сторону увеличения сопротивления. Ток падает, напряжение – растет. Величина ЭДС ячейки лишь движет кривую ВАХ вдоль оси напряжения.
Зачем нужна балансировка АБ? Рассмотрим пример из практики, смотрим рис. 2. Итак, два одинаковых по емкости аккумуляторных элемента В1 и В2 соединены последовательно для набора необходимого напряжения 24В, каждый элемент имеет номинальное напряжение 12В. Подключаем зарядное устройство, которое автоматически прекратит заряд АБ при достижении общего напряжения 28,80В, т.е. при 14,40В на каждый элемент.
В процессе заряда АБ напряжение каждого элемента В1 и В2 будет увеличиваться , по мере увеличения уровня заряда. Через какое-то время заряда один из элементов, допустим В2, имеет напряжение 14,12В, а В1 зарядился только до 13,85В. Когда В2 зарядится, его напряжение станет равным 14,40В, а В1 еще не зарядился и его напряжение 14,10В. При этом общие напряжение=14,40+14,12=28,50В. Зарядное устройство продолжает процесс зарядки, прекратит заряд АБ только при достижении 28,80В.
Заряд продолжается, напряжение на В2 растет выше 14,40В, при этом идет кипение электролита и выбивание активной массы из пластин, тем самым сокращая ресурс, также при кипении идет процесс испарения воды из элемента. При этом элемент В1 получает заряд, напряжение на В2 растет и в какой-то момент оно достигает, к примеру, 14,75В – активное кипение электролита, а В1 при этом еще немного зарядился и его напряжение равно 14,15В, общие напряжение=14,75+14,15=29,90В. Зарядное устройство уже отключилось, при напряжении 28,80В.
В итоге элемент В2 перезарядился, выкипел, элемент В1 не получил полностью заряд, следовательно, не набрал заявленную емкость. При разряде АБ мы имеем картину противоположную зарядной. Элемент, который не до зарядился В1, разрядится быстрые В2, значит общая емкость АБ будет равна емкости элемента В1. При каждом последующем цикле заряд-разряд ситуация будет все больше усугубляться и разница напряжений между ячейками будет увеличиваться. В итоге, мы получим типичную повседневную реальность (см. рис 1 нижняя картинка). Элемент В2 не отработала свои заявленные циклы заряд-разряд по причине постоянного хронического перезаряда и кипения электролита, В1 по причине постоянного не дозаряда, что привело к сульфатации образованию труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца. Сопротивления R1 и R2 на рис. 2 предназначены для балансировки аккумуляторной сборки.
Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир. Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор. При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратится. При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжится. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры. Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.