Akumuliatoriaus apsauga nuo išsikrovimo ir perkrovimo

Didėjant nešiojamų ir atsinaujinančios energijos kaupimo sprendimų paklausai, akumuliatorių sistemos tampa vis svarbesnės įvairiose pramonės šakose - nuo elektronikos iki elektrinių transporto priemonių. Tobulėjant akumuliatorių technologijoms, didėja ir su jų veikimu susiję iššūkiai. Vienas iš svarbiausių klausimų yra saugaus ir patikimo akumuliatoriaus veikimo užtikrinimas, ypač esant per dideliam įkrovimui ir giliam iškrovimui.

Akumuliatoriaus perkrovimas ir jo rizika

Perkrovimas reiškia situaciją, kai akumuliatorius įkraunamas viršydamas vardinę talpą. Tai gali nutikti dėl perkrautų įkrovimo stotelių, neteisingų įkrovimo protokolų arba tiesiog dėl per didelio naudojimo. Per didelis įkrovimas, nors ir atrodo kaip paprastas sprendimas, gali sukelti didelę riziką. Perkrautose baterijose gali atsirasti vidinių trumpųjų jungimų, išsiskirti toksiški garai ir sutrumpėti bendras baterijos tarnavimo laikas.

Be to, per didelis įkrovimas gali pažeisti akumuliatoriaus vidinius komponentus, tokius kaip elektrodai ir elektrolitai, o tai gali sukelti negrįžtamą žalą ar net sprogimą kraštutiniais atvejais. Pavyzdžiui, ličio jonų akumuliatoriai skirti veikti tam tikrame įtampos diapazone, paprastai neviršijančiame 4,2 V įkrovimo metu. Jei akumuliatoriaus įtampa viršija šią ribą, ji gali sukelti nestabilias chemines reakcijas akumuliatoriaus viduje, dėl kurių gali perkaisti, išsipūsti ar net sprogti.

Giluminis iškrovimas ir jo pasekmės

Giluminis iškrovimas reiškia ilgalaikį akumuliatoriaus naudojimą, viršijant jo numatytą talpą. Tai gali nutikti, kai prietaisas ilgą laiką išsikrauna arba kai jam taikomos didelės apkrovos. Dėl gilaus išsikrovimo gali kilti keletas problemų, įskaitant sumažėjusią akumuliatoriaus talpą, padidėjusią vidinę varžą ir šiluminio išsiveržimo riziką. Laikui bėgant, gilus išsikrovimas taip pat gali paveikti akumuliatoriaus būklę, todėl jis taps mažiau efektyvus ir negalės užtikrinti tokio paties našumo.

Akumuliatoriaus apsauga nuo giliojo išsikrovimo yra būtina, nes giliai išsikrovęs akumuliatorius gali prarasti iki 60% savo tarnavimo laiko. Statistika atskleidžia nerimą keliančius skaičius: net 78% priešlaikinių akumuliatorių gedimų visureigių bendruomenėse yra susiję su giliu išsikrovimu. Tipinis AGM akumuliatorius, kuris reguliariai išsikrauna žemiau 10.5V, praras daugiau nei 40% savo projektinio tarnavimo laiko po vos 50-80 gilaus išsikrovimo ciklų.

Švino-rūgštiniuose akumuliatoriuose (tradiciniuose, AGM ar GEL) gilaus išsikrovimo metu vyksta sulfatacijos procesas - švino plokštėse formuojasi nebeištirpstantys švino sulfato kristalai, kurie mažina akumuliatoriaus talpą. LiFePO4 (ličio geležies fosfato) akumuliatoriai yra atsparesni giliems išsikrovimams, tačiau jų celės gali būti negrįžtamai pažeistos, jei įtampa nukrenta žemiau 10V.

Akumuliatorių apsaugos mechanizmai

Siekiant išspręsti šiuos iššūkius, šiuolaikinėse akumuliatorių sistemose yra integruoti pažangūs apsaugos mechanizmai. Šie mechanizmai skirti aptikti ir reaguoti į perkrovą ir gilų iškrovimą realiuoju laiku. Šie apsaugos mechanizmai yra ne tik reaktyvūs sprendimai, bet ir prevencinės priemonės, pritaikytos prie konkrečių akumuliatorių sistemos poreikių, atsižvelgiant į akumuliatorių technologiją, darbo aplinką ir taikymo reikalavimus.

Apsauga nuo perkrovimo

Apsaugos nuo perkrovos sistemos paprastai naudoja įtampos jutiklius, srovės monitorius ir temperatūros valdiklius, kad užtikrintų, jog akumuliatorius veikia saugiose ribose. Jei aptinkamas per didelis įkrovimas, sistema suaktyvina apsaugos grandinę, pvz., saugiklį arba MOSFET tranzistorių, kad saugiai nutrauktų įkrovimo procesą ir nepažeistų akumuliatoriaus ar sistemos. Apsauga nuo perkrovimo paprastai įgyvendinama derinant aparatinę ir programinę įrangą. Aparatūros pusėje akumuliatoriaus valdymo sistemoje (BMS) yra įtampos aptikimo lustai, kurie stebi akumuliatoriaus įtampą ir prireikus atjungia įkrovimo grandinę.

Apsauga nuo gilaus iškrovimo

Giluminio iškrovimo apsaugos sistemos yra sukurtos tam, kad laikui bėgant stebėtų akumuliatoriaus būklę ir veikimą. Siekiant išvengti akumuliatoriaus išsikrovimo virš saugių ribų, naudojami tokie metodai kaip įkrovos būsenos (SOC) įvertinimas, temperatūros stebėjimas ir srovės ribojimas. Apsauga nuo gilaus iškrovimo yra ypač svarbi sistemoms, kurios priklauso nuo ilgalaikio naudojimo, pavyzdžiui, elektrinėms transporto priemonėms, saulės energija varomiems įrenginiams ir duomenų centrams. Aptikdamos ir sušvelnindamos gilaus iškrovimo sąlygas, šios sistemos gali prailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką ir užtikrinti patikimą veikimą laikui bėgant.

Priešingai nei apsauga nuo perkrovimo, apsauga nuo per didelio iškrovimo neleidžia akumuliatoriaus įtampai nukristi per žemai, o tai gali visam laikui sugadinti akumuliatorių. Kai ličio jonų akumuliatoriaus įtampa nukrenta žemiau tam tikros ribos, paprastai apie 2,5 V, cheminė akumuliatoriaus struktūra gali būti negrįžtamai pažeista, todėl gali sumažėti talpa arba nepavykti įkrauti. Apsauga nuo per didelio iškrovimo pirmiausia pasiekiama naudojant aparatinės įrangos grandines. BMS nuolat stebi akumuliatoriaus įtampą ir nutraukia ryšį tarp akumuliatoriaus ir įrenginio, kai įtampa pasiekia kritinį tašką.

Kitos apsaugos priemonės

• Apsauga nuo viršsrovių: mechanizmas, neleidžiantis perteklinės srovės tekėjimo įkrovimo ar iškrovimo metu, o tai gali sugadinti akumuliatorių ar įrenginį. Jei įkrovimo arba iškrovimo srovė viršija numatytas saugos ribas, akumuliatorius gali perkaisti, sugadinti vidinę konstrukciją ar net sukelti pavojų saugai.
• Apsauga nuo perkaitimo: apsaugo akumuliatorių nuo perkaitimo įkrovimo ar iškrovimo metu. Ličio jonų baterijos yra jautrios temperatūrai, o aukšta temperatūra gali pagreitinti chemines reakcijas akumuliatoriaus viduje, o tai gali sukelti perkaitimą, patinimą ir kitas problemas.
• Apsauga nuo trumpojo jungimo: apsaugo nuo pernelyg didelio srovės srauto, kurį sukelia trumpasis jungimas akumuliatoriuje, kuris gali perkaisti arba sugadinti. Trumpasis jungimas įvyksta, kai teigiami ir neigiami akumuliatoriaus gnybtai yra tiesiogiai sujungti, o tai sukelia staigų srovės padidėjimą.

Apsaugos nuo įkrovimo mechanizmai yra pagrindinės šiuolaikinių elektroninių prietaisų saugos priemonės, užtikrinančios, kad baterijos galėtų saugiai veikti įvairiomis sąlygomis ir prailginti jų naudojimo laiką. Koordinuotos apsaugos nuo perkrovimo, apsaugos nuo per didelio iškrovimo, apsaugos nuo viršsrovių, apsaugos nuo perkaitimo ir apsaugos nuo trumpojo jungimo pastangos įkrovimo ir iškrovimo procesų metu gali išlikti saugūs ir stabilūs, taip sumažinant akumuliatoriaus pažeidimą ir saugos riziką.

Akumuliatorių valdymo sistemos (BMS)

Šių apsaugos mechanizmų integravimas į šiuolaikines akumuliatorių valdymo sistemas (BMS) pakeitė akumuliatorių valdymo būdą. BMS programinė įranga gali stebėti ir analizuoti akumuliatoriaus veikimą realiuoju laiku, pateikdama išsamią informaciją apie akumuliatoriaus būklę ir naudojimo modelius. Tai leidžia atlikti tikslesnius ir savalaikius apsaugos veiksmus, sumažinti žalos riziką ir pailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką. Be to, BMS gali optimizuoti įkrovimo ir iškrovimo modelius, užkertant kelią per dideliam akumuliatoriaus naudojimui ir užtikrinant, kad jis veiktų saugiose ribose.

Išsikrovimo apsaugos įrenginiai (arba BMS - Battery Management Systems) nuolat stebi akumuliatoriaus įtampą ir automatiškai atjungia apkrovą, kai įtampa nukrenta žemiau nustatytos ribos. Pagrindiniai tipai yra:

• Relės tipo akumuliatorių atjungėjai (Battery Isolators) - mechaniškai atjungia akumuliatorių nuo apkrovos, kai įtampa nukrenta žemiau nustatytos ribos. Tai paprastas ir patikimas sprendimas, kuris tinka daugumai automobilių maitinimo sistemų.
• Elektroniniai voltažo sargai - nuolat stebi akumuliatoriaus įtampą ir išjungia grandinę elektroniškai, be mechaninių judančių dalių. Jie veikia greičiau ir tiksliau nei relės tipo atjungėjai.
• Integruoti BMS moduliai - ypač populiarūs su LiFePO4 akumuliatoriais, šie įrenginiai ne tik apsaugo nuo giliojo išsikrovimo, bet ir užtikrina įkrovimo kontrolę bei celių balansavimą.
• Programuojami akumuliatorių kontroleriai - pažangiausi įrenginiai, leidžiantys nustatyti tikslias įtampos ribas, delsos laiką ir kitus parametrus. Daugelis jų turi Bluetooth ar WiFi jungtis nuotolinei stebėsenai.

Tyrimai rodo, kad 67% atvejų, kai įrengtos apsaugos nuo giliojo išsikrovimo sistemos nesuveikia, problema yra neteisingai parinktos įtampos ribos. Praktiški matavimai rodo, kad tinkamas išsikrovimo apsaugos įrenginys gali pailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką 2-3 kartus, ypač intensyvaus naudojimo scenarijuose.

Akumuliatorių įtampa ir įkrovos lygis

Svarbu suprasti, kad akumuliatoriaus įtampa ne visada tiksliai atspindi jo įkrovos būklę. Ji priklauso nuo apkrovos, temperatūros ir kitų veiksnių. Neapkrauto akumuliatoriaus įtampa bus aukštesnė nei apkrauto, netgi esant tam pačiam įkrovos lygiui.

Apsaugos ribos pagal akumuliatoriaus tipą

Skirtingų tipų akumuliatoriams reikalingos skirtingos apsaugos ribos:

• Tradiciniams švino-rūgštiniams akumuliatoriams: saugi iškrovimo riba yra 12.0V (50% iškrovimas).
• AGM akumuliatoriams: saugi iškrovimo riba - 12.2V (50% iškrovimas). Rekomenduojama apsaugos riba yra 12.2V (50% iškrovimas), o kritinė riba - 10.5V. Jei norite maksimaliai pailginti AGM akumuliatorių tarnavimo laiką pagalbinėse maitinimo sistemose, nustatykite išsikrovimo apsaugos ribą ties 12.4V (30% iškrovimas).
• GEL akumuliatoriams: saugi iškrovimo riba - 12.1V (60% iškrovimas).
• LiFePO4 akumuliatoriams: LiFePO4 akumuliatoriai yra atsparesni giliems iškrovimams ir gali būti saugiai iškrauti iki 80% talpos (12.0V). Kritinė apsaugos riba yra 10.0V, o rekomenduojama - 12.0V (80% iškrovimas). Jų celės gali būti negrįžtamai pažeistos, jei įtampa nukrenta žemiau 10V.

Tyrimai rodo, kad 67% atvejų, kai įrengtos apsaugos nuo giliojo išsikrovimo sistemos nesuveikia, problema yra neteisingai parinktos įtampos ribos, neatitinkančios akumuliatoriaus tipo.

Temperatūros įtaka ir delsa

Temperatūra turi didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui ir įtampos matavimams. Žemesnė temperatūra sumažina cheminių reakcijų greitį ir padidina vidinę akumuliatoriaus varžą. Dėl šios priežasties pažangesni išsikrovimo apsaugos įrenginiai turi integruotus temperatūros jutiklius ir automatiškai koreguoja apsaugos ribas pagal aplinkos temperatūrą. Žiemos sąlygomis apsaugos ribas reikėtų pakelti 0.2V, nes esant 0°C švino-rūgštinio akumuliatoriaus talpa sumažėja 20%, o -20°C - net 50%. LiFePO4 akumuliatoriai dar jautresni: esant 0°C talpa sumažėja 30%, o -20°C - 70%.

Delsos laikas (paprastai 10-60 sekundžių) yra būtinas, nes akumuliatoriaus įtampa priklauso nuo apkrovos, temperatūros ir kitų veiksnių. Pažangesni įrenginiai matuoja vidutinę įtampą, o ne momentinę reikšmę.

Akumuliatorių apsaugos įrenginių montavimas

Išsikrovimo apsaugos įrenginiai montuojami tarp akumuliatoriaus ir apkrovos, kuo arčiau teigiamo akumuliatoriaus kontakto. Montavimo vieta turi būti sausa, vėsi ir apsaugota nuo mechaninio poveikio. Įrenginio instaliacija paprastai apima jo prijungimą tarp akumuliatoriaus teigiamo kontakto ir apkrovos, įžeminimo laidų sujungimą ir voltmetro prijungimą tiksliam įtampos stebėjimui. Statistiniai duomenys rodo, kad 23% išsikrovimo apsaugos įrenginių gedimų yra susiję su netinkama montavimo vieta.

85% visų elektros sistemos gedimų transporto priemonėse yra susiję su prastais sujungimais ir netinkamu laidų storiu. Laidų storis priklauso nuo maksimalios srovės:

• iki 20A reikia 2.5mm² laidų,
• 20-35A - 4mm²,
• 35-50A - 6mm²,
• 50-70A - 10mm²,
• daugiau nei 70A - 16mm² laidų.

Visuregiuose (4x4) montuokite variklio skyriuje šalia antrinio akumuliatoriaus su apsauga nuo vandens ir purvo. Kemperiuose - akumuliatorių dėžėje arba techninėje spintoje su gera ventiliacija ir apsauga nuo drėgmės.

Akumuliatoriaus apsaugos modulis nuo gilaus iškrovimo (XH-M609 pavyzdys)

Akumuliatoriaus apsaugos modulis nuo gilaus iškrovimo (pvz., modelis XH-M609) turi tokias charakteristikas:

• Darbo įtampa: 12V-36V (tinka 12V ir 24V akumuliatoriams)
• Nustatymas: kas 0,1V
• Maks. apkrova: 20A
• Sunaudojimas: apie 1W
• Nustatymų atmintis: po maitinimo sutrikimo
• Ekranas: rodo esamą akumuliatoriaus įtampą
• Matmenys: ilgis 57 mm x plotis 42 mm x storis 17 mm

Nustatymai:

• Kairysis klavišas: paspaudus rodo relės atjungimo įtampą. Paspaudę galite nustatyti įtampą (numatytasis 10 V).
• Dešinysis klavišas: nustato, kad relė vėl įsijungtų (histerezė). Laikydami galėsite nustatyti įtampą (numatytasis 2 V).

Pavyzdys: atjungimo įtampa 10 V, o histerezė nustatyta į 2 V. Sistema atjungs imtuvą esant 10 V įtampai ir iš naujo paleis 12 V akumuliatoriuje.

Atkurti nustatymus: 3 sekundes palaikykite abu klavišus.

Akumuliatoriaus iškrovimas automobiliuose ir stebėjimo sprendimai

Automobilio akumuliatorius gali išsikrauti, kai variklis ilgą laiką stovi nedirbdamas. Taip atsitinka dėl kelių priežasčių: automobilyje yra sistemų (pvz., apsaugos sistema, laikrodis ir kiti elektros prietaisai), kurios dirba net tada, kai automobilis stovi, ir naudoja akumuliatoriaus energiją. Be to, akumuliatorius greičiau išsikrauna, kai ilgesnį laiką nenaudojamas. Iškrovimo laikas priklauso nuo daugelio aplinkybių, tokių kaip lauko temperatūra, akumuliatoriaus įkrova ir stovis. Kai kurios mašinos turi dar daugiau elektros prietaisų, kurie naudoja elektros energiją. Todėl neįmanoma vienareikšmiškai pasakyti, kiek ilgai akumuliatorius tarnaus, bet praktika rodo, kad nuo kelių savaičių iki kelių mėnesių.

Šiuolaikinės transporto kontrolės sistemos, pavyzdžiui, „Ecofleet“, matuoja akumuliatoriaus įtampą ir tokiu būdu padeda išvengti problemos. Net jeigu mašina yra priparkuota, sekimo sistema kas valandą siunčia duomenis apie transporto priemonės lokaciją ir akumuliatoriaus įkrovą. Normali akumuliatoriaus įtampa yra 12 voltų. Įtampa niekada nebūna visiškai stabili, kažkuriame taške ji pradeda staigiai kristi.

Norint gauti įspėjamuosius pranešimus, galima nustatyti naują taisyklę sistemos nustatymuose. Pasirinkus „Įtampa“ ir nustačius pageidaujamą įtampos lygį (pvz., 11 voltų, nors kai kurios įmonės nustato 9 voltų įtampą, o kai kurios daugiau nei 11), sistema informuos, kai įtampos lygis sumažės iki nustatyto. Jei iki akumuliatoriaus nustatytos įtampos liko mažiau nei 60 minučių, sistema atsiųs įspėjamąją žinutę.

Ličio jonų akumuliatorių senėjimas ir priežiūra

Daugelyje telefonų ir planšetinių kompiuterių, pavyzdžiui, „Pixel“ telefonuose, naudojami įkraunami ličio jonų akumuliatoriai. Jų įkrovimo ciklų skaičius ribotas, todėl laikui bėgant juos reikės pakeisti. Visi akumuliatoriai yra eksploatacinės dalys ir jų eksploatavimo laikas yra ribotas. Akumuliatoriaus talpa mažėja dėl įvairių veiksnių, pvz., temperatūros, įkrovimo ir iškrovimo bei įrenginio naudojimo.

Įkraunant, kaip rekomenduojama, „Pixel“ telefono akumuliatorius turi išlaikyti bent 80 proc. pradinės talpos tam tikrą skaičių įkrovimo ciklų. Talpa apskaičiuojama remiantis akumuliatoriaus matuokliu. „Pixel“ akumuliatoriaus įkrovimo ciklų skaičius - tai kartų, kai akumuliatorius visiškai išsikrovė ir buvo įkrautas, įskaitant dalinį išsikrovimą, skaičius. Pavyzdžiui, „Pixel 8a“ ir naujesni modeliai turėtų išlaikyti iki 80 proc. talpos po maždaug 1 000 įkrovimo ciklų.

Naudodami akumuliatoriaus būsenos tikrinimo funkciją galite sužinoti apytikslę likusios įrenginio akumuliatoriaus talpos vertę, palyginti su pradine talpa. Nurodoma, ar akumuliatoriaus talpa yra „Sumažėjusi“, ar „Įprasta“. Laikui bėgant visų ličio jonų akumuliatorių talpa mažėja. Jei akumuliatoriaus būsena yra „Sumažėjusi“, apsvarstykite galimybę pakeisti akumuliatorių.

• Modeliai nuo „Pixel 3“ iki „Pixel 8 Pro“, taip pat „Pixel Fold“: jei likusi talpa yra mažesnė nei 80 proc.
• „Pixel 8a“ ir naujesni modeliai: jei likusi talpa yra mažesnė nei 80 proc.

Jei pastebite, kad sumažėjo telefono veikimo laikas arba akumuliatorius pasiekė apskaičiuotą įkrovimo ciklų skaičių, rekomenduojama pakeisti akumuliatorių. Ličio jonų akumuliatoriai yra eksploatacinės dalys, kurias laikui bėgant reikia pakeisti.

Pagalba dėl akumuliatoriaus būsenos

Senstant akumuliatoriui, pagalba dėl akumuliatoriaus būsenos padeda tvarkyti ilgalaikę akumuliatoriaus būseną ir našumą. Ši programinė įranga koreguos akumuliatoriaus maksimalią įtampą etapais. Veikti pradedama nuo 200 įkrovimo ciklų ir palaipsniui tęsiama iki 1 000 įkrovimo ciklų. Akumuliatoriui senstant galite pastebėti, kad šiek tiek sutrumpėja akumuliatoriaus veikimo laikas. Pagalba dėl akumuliatoriaus būsenos taip pat sureguliuoja telefono įkrovimo spartą pagal pakoreguotą talpą.

Svarbu: jei akumuliatorius išsipūtęs, apie įrenginio remonto galimybes sužinosite apsilankę gamintojo tinklapyje. Išsipūtęs akumuliatorius savaime nėra pavojingas. Tačiau dėl jo ekranas gali atsiklijuoti, todėl į įrenginį lengviau gali patekti skysčių ar dulkių. Jei akumuliatorius neuždengtas, jį lengviau atsitiktinai pažeisti, dėl to jis gali perkaisti ir galite susižeisti. Jei ekranas atsiklijavo, dėl taisymo proceso susisiekite su techninės pagalbos tarnyba.

Įkraukite telefoną vėsioje aplinkoje (maždaug 25 °C temperatūroje) ir saugokite nuo tiesioginių saulės spindulių bei išorinių šilumos šaltinių poveikio. Jei telefono neketinate naudoti ilgiau kaip 30 dienų, laikykite jį įkrautą bent iki 50 proc.

tags: #akumuliatoriaus #apsauga #nuo #iskrovimo