В процессе эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов может развиваться сульфатация пластин, приводящая к потере ёмкости батареи. В случае образования сульфатов, они закупоривают поры в пластинах, прекращая доступ электролита к активной массе - и при заряде батареи с развившейся сульфатацией она не устраняется при обычном процессе заряда.
Однако, сульфатация может быть если и не устранена, то уменьшена, если заряжать батарею пульсирующим током - чередуя процессы заряда и разряда. Приводимая ниже схема реализует пульсирующий режим, при этом не нужен внешний источник питания: в схеме используются конденсаторы, которые сначала подключатся в параллель к батарее - и заряжаются до её напряжения, а затем подключаются последовательно - и передают заряд обратно батарее - при этом батарея находится в постоянном режиме "разряд-заряд", что позволяет частично или полностью избавится от образовавшейся сульфатации.
Для переключения соединения конденсаторов используются 3 полупроводниковых ключа (один на "разряд" - последовательное соединение для разряда конденсаторов на аккумулятор, два на "заряд" для параллельного соединения конденсаторов и зарядки их до напряжения АКБ).
Ключи состоят из полевого транзистора (лучше брать с "логическим управлением" - низким напряжением на затворе для открытия канала), оптопары типа EL817, резистора для закрытия транзистора при отсутствии управляющего сигнала, и конденсатора с диодом - с их помощью на затвор подаётся напряжение при открытом канале (и отсутствии падения напряжения на ключе). Схема работае в импульсном режиме, при закрытом ключе есть падение напряжения, и конденсатор через диод заряжается. При открытии ключа -напряжение на затвор подаётся с заряженного конденсатора. Если не использовать конденсатор - при открытии ключ останется в промежуточном состоянии, так как при полном его открытии не будет напряжения на затворе, и пойдёт процесс закрытия.
Схема одного элемента:
Детали, используемые в схеме, должны быть рассчитаны на напряжение большее, чем напряжение десульфатируемой батареи. Конденсатор можно брать на 16В и выше, обратное напряжение диода и допустимое напражение "сток-исток" на закрытом транзисторе тоже должны быть выше, чем напряжение десульфатируемой батареи. Оптопара OK1 - EL817 или аналог. Транзисторы лучше брать с "логическим управлением" - низким (порядка 3В) напряжением открытия.
При подаче на выводы CTRL+ и CTRL- управляющего напряжения происходит открытие ключа, при снятии напряжения - закрытие. Напряжение открытия будет варьироваться в зависимости от используемого транзистора и оптопары и в моём случае составляет чуть менее 2В. При подаче управляющих импульсов от микроконтроллера с рабочим напряжением 3.3В типа STM32 имеем уверенное открытие ключа.
Так как при открытом ключе падение напряжения на нём будет нулевым, максимальное время его нахождения в открытом состоянии лимитируется ёмкостью конденсатора C1 и его начальным напряжением. С ёмкостью порядка 860 uF ключ легко может находится в открытом состоянии минуту и более - этого вполне достаточно для наших целей.
Десульфататор целиком состоит из двух конденсаторов, или конденсаторных батарей, и трёх ключей (описанных выше). Схема соединения достаточно проста:
Символами "+" у ключей отмечены выводы "IN+" (см. рисунок 1), символами "-" - выводы "IN-". Управляющие выводы CTRL- всех трёх ключей соединены вместе - и соединяются с общим выводом управляющей схемы. Выводы CTRL+ ключей, отвечающих за заряд, соединяются вместе - и подключаются к выводу управляющей схемы, выдающей сигнал на заряд. Вывод CTRL+ ключа, отвечающего за разряд - подключается к выводу управляющей схемы, отвечающему за заряд.
Пара слов о резисторе R1 - его назначение - ограничить броски тока при переключениях схемы. В принципе, его можно не ставить - но тогда возникают вопросы про долговечность схемы - стартерный аккумулятор может выдавать достаточно большие токи в импульсе, сопротивление открытых ключей ничтожно мало, а эквивалентное сопротивление разряженных конденсаторов тоже невелико - возникают броски тока, которые могут повредить ключи. В моём случае в качестве такого ограничителя (R1) выступает лампа накаливания 40 Вт 12В с цоколем E27. Так же лампа выступает в роли защитного устройства - в случае неисправности схемы, или открытия по какой-то причине одновременно "зарядных" и "разрядных" ключей лампа просто начнёт светится в полный накал, ограничивая ток в цепи на уровне 4-5А, что безопасно для элементов схемы и самой батареи.
Управляющие импульсы могут быть сгенерированны или схемой на дискретных элементах, или любым микроконтроллером - в моём случае использован STM32F100R8T6b - потому, что был под рукой. Между импульсом на открытие и импульсом на закрытие нужно вставить защитный интервал - для исключения возможности протекания сквозного тока через ключи "заряда" и "разряда". Для надёжности лучше поставить длительность защитного интервала, равную двум длительностям управляющего импульса.
При использовании микроконтроллера STM32F100R8 с предлагаемой прошивкой зарядный и разрядный сигналы будут на ножках 7 и 8 на порту PORT C.
Для простоты можно испльзовать плату типа STM discovery - но лучше распаять контроллер отдельно, тогда потребление тока будет меньше - и можно питать управляющую схему от батарей.
Прошивку для микроконтроллера STM32F100 можно скачать тут (проект для Keil uVision 5).
При правильной сборке наладка обычно не требуется. При проверке для начала включите устройство без управляющей схемы последовательно с лампой накаливания на 12В и амперметром - тока в цепи быть не должно. Подайте вручную один импульс управляющего напряжения на "заряд", должен быть бросок тока в одну сторону (достаточно короткий), после снятия напряжения тока быть не должно, затем подайте импульс на "разряд", опять же должен быть короткий бросок тока. Если всё так - подключайте управляющую плату. Лампа накаливания (40 Вт, 12В) при полностью заряженном аккумуляторе начинает чуть заметно светится, нить становится тёмно-оранжевой. Амперметр при использовании четырёх конденсаторов на 6800 uF (соединённых попарно-параллельно)_ показывает порядка 800-1200 мА переменного тока - на постоянном показания тоже будут, но ощутимо меньше. Причина тут в том, что ёмкость при последовательном соединении конденсаторов меньше, чем при параллельном - отдаётся несколько меньше ампер-секунд заряда, чем было принято. При этом ток от устройства к аккумулятору будет нарастать более круто и примет большие значения, чем от аккумулятора к устройству - т.к. при разряде на аккумулятор будет подано удвоенное его напряжение. Эти короткие, но сильные броски тока и обеспечивают батарее десульфатацию.
Если хочется настроить устройство "под себя" - можно попробовать изменить длительность импульсов и пауз. При снижении длительностей до определённого предела будет происходить рост значения силы переменного тока в цепи, фиксируемой амперметром - потому что в одну секунду будет происходить больше циклов, но после определённого предела рост остановится - это значит, что схема просто не успевает полностью зарядиться/разрядится за данное время.
Следует быть осторожным с наращиванием частоты и ёмкости аккумуляторов - слишком сильные импульсные токи могут привести к осыпанию пластин батареи.
Методика десульфатации батарей такая - заряжаем аккумулятор от сети до полностью заряженного состояния, подключаем десульфататор - и оставляем аккумулятор с десульфататором до тех пор, пока напряжение не упадёт до 10.8В - на это может потребоваться несколько суток. Затем заряжаем аккумулятор снова - и оцениваем ёмкость - или по времени заряда, или по индикации на зарядном устройстве. Если показатель всё ещё неудовлетворительный - повторяем процедуру. Не забывайте следить за напряжением на аккумуляторе - глубокий и длительный разряд может ухудшить его состояние.
Однако, сульфатация может быть если и не устранена, то уменьшена, если заряжать батарею пульсирующим током - чередуя процессы заряда и разряда. Приводимая ниже схема реализует пульсирующий режим, при этом не нужен внешний источник питания: в схеме используются конденсаторы, которые сначала подключатся в параллель к батарее - и заряжаются до её напряжения, а затем подключаются последовательно - и передают заряд обратно батарее - при этом батарея находится в постоянном режиме "разряд-заряд", что позволяет частично или полностью избавится от образовавшейся сульфатации.
Для переключения соединения конденсаторов используются 3 полупроводниковых ключа (один на "разряд" - последовательное соединение для разряда конденсаторов на аккумулятор, два на "заряд" для параллельного соединения конденсаторов и зарядки их до напряжения АКБ).
Ключи для управления зарядом и разрядом конденсаторов
Ключи состоят из полевого транзистора (лучше брать с "логическим управлением" - низким напряжением на затворе для открытия канала), оптопары типа EL817, резистора для закрытия транзистора при отсутствии управляющего сигнала, и конденсатора с диодом - с их помощью на затвор подаётся напряжение при открытом канале (и отсутствии падения напряжения на ключе). Схема работае в импульсном режиме, при закрытом ключе есть падение напряжения, и конденсатор через диод заряжается. При открытии ключа -напряжение на затвор подаётся с заряженного конденсатора. Если не использовать конденсатор - при открытии ключ останется в промежуточном состоянии, так как при полном его открытии не будет напряжения на затворе, и пойдёт процесс закрытия.
Схема одного элемента:
Рисунок 1. Схема переключающего элемента.
Детали, используемые в схеме, должны быть рассчитаны на напряжение большее, чем напряжение десульфатируемой батареи. Конденсатор можно брать на 16В и выше, обратное напряжение диода и допустимое напражение "сток-исток" на закрытом транзисторе тоже должны быть выше, чем напряжение десульфатируемой батареи. Оптопара OK1 - EL817 или аналог. Транзисторы лучше брать с "логическим управлением" - низким (порядка 3В) напряжением открытия.
При подаче на выводы CTRL+ и CTRL- управляющего напряжения происходит открытие ключа, при снятии напряжения - закрытие. Напряжение открытия будет варьироваться в зависимости от используемого транзистора и оптопары и в моём случае составляет чуть менее 2В. При подаче управляющих импульсов от микроконтроллера с рабочим напряжением 3.3В типа STM32 имеем уверенное открытие ключа.
Так как при открытом ключе падение напряжения на нём будет нулевым, максимальное время его нахождения в открытом состоянии лимитируется ёмкостью конденсатора C1 и его начальным напряжением. С ёмкостью порядка 860 uF ключ легко может находится в открытом состоянии минуту и более - этого вполне достаточно для наших целей.
Общая схема устройства
Десульфататор целиком состоит из двух конденсаторов, или конденсаторных батарей, и трёх ключей (описанных выше). Схема соединения достаточно проста:
Рисунок 2. Общая схема устройства.
Символами "+" у ключей отмечены выводы "IN+" (см. рисунок 1), символами "-" - выводы "IN-". Управляющие выводы CTRL- всех трёх ключей соединены вместе - и соединяются с общим выводом управляющей схемы. Выводы CTRL+ ключей, отвечающих за заряд, соединяются вместе - и подключаются к выводу управляющей схемы, выдающей сигнал на заряд. Вывод CTRL+ ключа, отвечающего за разряд - подключается к выводу управляющей схемы, отвечающему за заряд.
Пара слов о резисторе R1 - его назначение - ограничить броски тока при переключениях схемы. В принципе, его можно не ставить - но тогда возникают вопросы про долговечность схемы - стартерный аккумулятор может выдавать достаточно большие токи в импульсе, сопротивление открытых ключей ничтожно мало, а эквивалентное сопротивление разряженных конденсаторов тоже невелико - возникают броски тока, которые могут повредить ключи. В моём случае в качестве такого ограничителя (R1) выступает лампа накаливания 40 Вт 12В с цоколем E27. Так же лампа выступает в роли защитного устройства - в случае неисправности схемы, или открытия по какой-то причине одновременно "зарядных" и "разрядных" ключей лампа просто начнёт светится в полный накал, ограничивая ток в цепи на уровне 4-5А, что безопасно для элементов схемы и самой батареи.
Управляющая схема
Управляющие импульсы могут быть сгенерированны или схемой на дискретных элементах, или любым микроконтроллером - в моём случае использован STM32F100R8T6b - потому, что был под рукой. Между импульсом на открытие и импульсом на закрытие нужно вставить защитный интервал - для исключения возможности протекания сквозного тока через ключи "заряда" и "разряда". Для надёжности лучше поставить длительность защитного интервала, равную двум длительностям управляющего импульса.
При использовании микроконтроллера STM32F100R8 с предлагаемой прошивкой зарядный и разрядный сигналы будут на ножках 7 и 8 на порту PORT C.
Для простоты можно испльзовать плату типа STM discovery - но лучше распаять контроллер отдельно, тогда потребление тока будет меньше - и можно питать управляющую схему от батарей.
Прошивку для микроконтроллера STM32F100 можно скачать тут (проект для Keil uVision 5).
Наладка и работа устройства
При правильной сборке наладка обычно не требуется. При проверке для начала включите устройство без управляющей схемы последовательно с лампой накаливания на 12В и амперметром - тока в цепи быть не должно. Подайте вручную один импульс управляющего напряжения на "заряд", должен быть бросок тока в одну сторону (достаточно короткий), после снятия напряжения тока быть не должно, затем подайте импульс на "разряд", опять же должен быть короткий бросок тока. Если всё так - подключайте управляющую плату. Лампа накаливания (40 Вт, 12В) при полностью заряженном аккумуляторе начинает чуть заметно светится, нить становится тёмно-оранжевой. Амперметр при использовании четырёх конденсаторов на 6800 uF (соединённых попарно-параллельно)_ показывает порядка 800-1200 мА переменного тока - на постоянном показания тоже будут, но ощутимо меньше. Причина тут в том, что ёмкость при последовательном соединении конденсаторов меньше, чем при параллельном - отдаётся несколько меньше ампер-секунд заряда, чем было принято. При этом ток от устройства к аккумулятору будет нарастать более круто и примет большие значения, чем от аккумулятора к устройству - т.к. при разряде на аккумулятор будет подано удвоенное его напряжение. Эти короткие, но сильные броски тока и обеспечивают батарее десульфатацию.
Если хочется настроить устройство "под себя" - можно попробовать изменить длительность импульсов и пауз. При снижении длительностей до определённого предела будет происходить рост значения силы переменного тока в цепи, фиксируемой амперметром - потому что в одну секунду будет происходить больше циклов, но после определённого предела рост остановится - это значит, что схема просто не успевает полностью зарядиться/разрядится за данное время.
Следует быть осторожным с наращиванием частоты и ёмкости аккумуляторов - слишком сильные импульсные токи могут привести к осыпанию пластин батареи.
Методика десульфатации батарей такая - заряжаем аккумулятор от сети до полностью заряженного состояния, подключаем десульфататор - и оставляем аккумулятор с десульфататором до тех пор, пока напряжение не упадёт до 10.8В - на это может потребоваться несколько суток. Затем заряжаем аккумулятор снова - и оцениваем ёмкость - или по времени заряда, или по индикации на зарядном устройстве. Если показатель всё ещё неудовлетворительный - повторяем процедуру. Не забывайте следить за напряжением на аккумуляторе - глубокий и длительный разряд может ухудшить его состояние.
