Заряжаю и исследую AGM АКБ Prometeus 5 Ач

Аккумулятор – основа любой энергонезависимой системы питания. В моем случае я купил AGM АКБ для дачи. У меня на дальнем конце участка стоят хозпостройки, для которых проблематично протянуть 220В. Но с другой стороны, там и не требуется большой мощности (за исключением случаев, когда я работаю электроинструментом, но для этого у меня есть самодельный удлинитель).

Тут важно сразу сказать о нагрузке. Все хотят получить то же напряжение, что и в розетке. Для этого нужен преобразователь (инвертор), на котором тратится изрядная доля энергии. Но часто это не требуется, поскольку сейчас очень много домашних устройств питается через адаптеры на 5 или 12В. Пример устройств на 5В – это все устройства, питающиеся через USB. Прежде всего, телефоны. От 9 или 12В питаются устройства типа роутеров, а главное – от 12В постоянного тока можно без всяких преобразований питать устройства освещения на основе светодиодов.

У меня нагрузка будет небольшая – 3-4 лампочки на номинал 12В с током 150 мА. Включаться они будут на небольшое время – от пары минут до пары часов в день, да и то не одновременно. Максимум, что я хочу получить – ток 600 мА (мощность 7,2 Вт). То есть, расход будет до 0,6 А·ч.

Возможно, в будущем я ещё подключу Wi-Fi камеру. Она потребляет без подсветки менее 50 мА, с ИК подсветкой – около 100 мА. Плюс – солнечный контроллер позволяет подключить на выход USB телефон для зарядки. По ориентировочной оценке, 1 А·ч в сутки мне вполне хватит.

Поэтому я решил к этому лету собрать резервную систему электропитания, в которую будут входить АКБ + контроллер + солнечная батарея. Всё уже куплено.

АКБ Prometheus 1205 и контроллер заряда от солнечных батарей WA-88

Статья будет состоять из двух частей. Первая – теоретическая. Я буду исследовать AGM аккумулятор Prometeus РЕ1205 12В 5 А·ч

Вторая часть выйдет ближе к лету, в ней я покажу, как установил и подключил солнечную батарею на 30 Вт. В планах собрать схему, чтобы АКБ Prometeus РЕ1205 работал в паре с PWM (ШИМ) контроллером заряда Solar Charge Controller 3602410 на максимальный ток 10А. Солнечный модуль Delta SM 30-12 P выдает максимальный ток 1,66 А при напряжении 18 В. Вместо него (если не будет солнца) буду использовать БП PromPower, который недавно испытывал.

Что означают параметры AGM аккумуляторов, на примере Prometheus PE 1205

Основные параметры моего АКБ:

АКБ РЕ 1205 Prometheus, внешний вид и параметры

Номинальное напряжение – 12 В. Это не означает, что такое напряжение всегда будет на выходе. Ситуация примерно такая же, как и с номинальным сечением токопроводящей жилы – если сказано, что сечение 2,5 мм2, это совсем не означает, что измерение должно показать именно такое сечение. Параметр обозначается через Uн.

Номинальная ёмкость – 5 А·ч. Как для провода главное – какой ток он сможет пропустить, так для АКБ главное – какую энергию он сможет запасти и отдать. Ёмкость показывает, какой ток и за какое время может отдать батарея. Логично, что чем больше тока и времени – тем больше ёмкость аккумулятора, и тем большую энергию он может запасти. В моем случае теоретически Prometeus РЕ1205 может отдавать ток 5 А в течении часа. Или 0,5 А в течении 10 часов. Чем выше зарядный и разрядный ток, тем меньшую емкость может запасти и отдать аккумулятор. Как это будет выглядеть на практике – читайте статью до конца. Номинальная ёмкость – основной параметр при расчетах, он обозначается как Сн.

Внутреннее сопротивление – 26 мОм (миллиом). Это теоретическая величина, которую (как и площадь сечения провода) можно измерить только косвенно, применяя расчеты. Поскольку АКБ – источник напряжения (у которого при изменении нагрузки напряжение должно оставаться в некоторых пределах), то чем меньше его внутреннее сопротивление, тем лучше. У идеального источника напряжения из учебника оно равно нулю. Внутреннее сопротивление реального источника напряжения будет минимальным при максимальном заряде, и максимальным – при полном разряде.

Режим заряда может быть буферный (когда заряд постоянно поддерживается на определенном уровне) и циклический (когда заряд-разряд происходит циклически). Разряд в этих режимах может быть любым, в зависимости от требований нагрузки.

Буферный режим работы подразумевает максимально бережное отношение к аккумулятору, поэтому его заряжают напряжением максимум 13,5..13,8 В, а разряжают до 10,5 В, не ниже. Ток заряда в этом режиме небольшой, поэтому расчетная длительность заряда сравнительно большая (до 20 часов). Плюс буферного режима – больше ёмкость (количество энергии, которую может запасти и отдать аккумулятор). Другой плюс – простая схема заряда, ведь питание на аккумулятор и нагрузку можно подавать, подключив их параллельно.  Используется такой режим в устройствах типа ИБП, аварийных светильников, охранных систем – там, где 99,9% времени устройство питается от электросети, а АКБ нужен только в редких аварийных ситуациях.

Циклический режим – режим, в котором главное это вытянуть как можно больше энергии за минимальный временной промежуток. Поэтому АКБ работает “на износ”. Диапазон напряжений заряда-разряда тут гораздо шире – от 14,4…15 В до 9,6 В. Пример – дроны, игрушки, электроинструмент.

Режим работы выбирается для каждого конкретного случая, исходя из характера нагрузки. Главное для обоих режимов – чтобы ток заряда не превышал 1,5 А (0,3Сн). Следит за процессом заряда-разряда специальный контроллер, цель которого – обеспечить нужный баланс между режимами работы аккумулятора и нагрузки.

В этой статье контроллером буду я.

Теоретически ток разряда не зависит от того, в каком режиме заряжается АКБ (буферном или циклическом). Не смотря на это, обычно для аккумуляторов, работающих в буферном режиме, ток разряда выбирают не более 1 А (0,2Сн). При циклическом режиме ток разряда до 5 А (1Сн). Впрочем, проектировщик контроллера заряда-разряда может быть со мной не согласен.

В моем случае, поскольку и заряд, и разряд будут нестабильными и непредсказуемыми (как в реальной жизни), будет нечто среднее.

Как зарядить аккумулятор

Зарядка постоянным напряжением – наиболее предпочтительный способ заряда. Но тут есть одна тонкость – ток заряда не должен превышать 0,3 от ёмкости AGM аккумулятора.

Этот коэффициент имеет размерность 1/ч.

В нашем случае напряжение на начальном участке заряда придётся понижать до такого значения, чтобы ток не превысил 1,5 А.

Вот, как выглядят стандартные графики заряда AGM АКБ для буферного режима:

Заряд АКБ буферный режим

Основное время заряда производится постоянным напряжением 13,5..13,8 В. При этом номинальный зарядный ток производитель рекомендует 0,1 Сн, то есть в моем случае 0,5 А, а максимальный – 0,3 Сн (1,5 А).

Сравните с графиком для циклического режима:

Заряд АКБ циклический режим

Чем принципиально отличаются эти режимы заряда? Поскольку напряжения разные, то в буферном режиме АКБ заряжается дольше (время заряда существенно больше), чем в циклическом – иногда до 48 часов. Время заряда в циклическом режиме обычно не превышает 10 часов. Решающее значение имеет ток заряда, который может быть от 0,1 до 0,3 Сн.

Для понимания разобьем процесс заряда на несколько временных промежутков (этапов):

1. Самый проблемный – начальный участок заряда. Прежде всего потому, что нужно ограничить ток, а для этого нужно следить за напряжением. Поэтому в начале заряда напряжение ставят ниже, исходя из допустимого тока. График тока тут имеет ровный участок, а напряжение плавно поднимается. Этот участок можно назвать бустерным – скорость запасания энергии тут максимальная. Длительность этого участка сравнительно небольшая, и сильно зависит от степени разряда батареи и тока заряда.
2. После нескольких часов заряда напряжение увеличивается до номинального (13,5..13,8 В или 14,4…15 В), а ток начинает падать по экспоненте. Этот участок – самый длительный по времени.
3. После того, как батарея набрала 100% емкости, продвинутые зарядные устройства обычно подают напряжение поддерживающего заряда, которое немного меньше номинального.

Как понять, что АКБ заряжена?

Только по току.

Есть общепринятый критерий заряженности батареи – ток заряда падает до значений 2-3 мА/А·ч в буферном режиме, или до 8-10 мА/А·ч в циклическом режиме. Иными словами, если я буду заряжать мою батарею ёмкостью 5 А·ч, и увижу ток менее 15 мА, то через пару часов, когда ток понизится до 10 мА, можно прекращать заряд и отключать батарею от зарядного устройства.

Поскольку ток на этом участке опускается медленнее всего, лучше терпеливо подождать. Рекомендую позаряжать батарею ещё час после понижения тока ниже 10 мА.

Есть ещё такая особенность электрохимического процесса, проходящего в батарее при заряде – при заряде нужно давать на 20% больше энергии, чем в итоге она запасёт. То есть, для номинала 5 А·ч нужно передать батарее 6 А·ч.

Как разрядить аккумулятор

При разряде АКБ речь идет только о токе. Чем больше ток, тем быстрее отдаст он отдаст запасённую энергию.

Чем дольше мы будем разряжать аккумулятор, тем ниже будет напряжение, до которого мы его при этом разрядим, и тем больше мы сможем из него выжать электроэнергии (А·ч).

Как это отразится на здоровье аккумулятора – думаю, понятно.

Вот как сказано в инструкции:

Графики разряда будут примерно такими:

Графики разряда АКБ. Не совпадает с таблицей выше

Обратите внимание – чем меньше разрядный ток, тем выше должно быть минимальное напряжение разряда. Если разряд происходит быстро – допустимо разряжать до меньших значений.

Разумеется, речь идет о напряжении под нагрузкой. На холостом ходу напряжение разряженной АКБ будет выше.

Это графики для АКБ, работающих в циклическом режиме. Для буферного режима будет примерно то же самое, но обычно нет значений 3С и 2С.

Измерения перед использованием нового аккумулятора

Дата производства – июль 2023. Почему это важно – более “свежий” АКБ имеет бОльшую остаточную ёмкость. Ниже я её измерю.

На клеммы АКБ я одел клеммы для подключения, с завода там были пластиковые колпачки-изоляторы.

Масса – 1526 г. Укладывается в норму 1500±45 г.

Напряжение 12,98 В (по вольтметру), 13,1 В (по солнечному контроллеру). Разницей в 0,1 В можно пренебречь, но все измерения я провожу по вольтметру.

Емкость нового незаряженного аккумулятора

Все измерения параметров должны проводиться по методике, изложенной в ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013. Но мы не ищем лёгких путей. Кроме того, нормальные герои всегда идут в обход))).

Итак, чтобы измерить остаточную емкость, я подключил к АКБ нагрузку и через определенные промежутки времени измерял напряжение и ток.

Измерение остаточной ёмкости. Пояснения будут ниже

В результате вычислений оказалось, что остаточная ёмкость нового АКБ с номинальной ёмкостью 5 А·ч равна 4,19 А·ч. Нормально ли это? Давайте посчитаем. Согласно техническим характеристикам, допускается саморазряд 3% в месяц. С июля 2023 по февраль 2024 прошло 7 месяцев, значит допустим саморазряд 21%.  Значит, допустимая емкость 3,95 А·ч. Вывод – реальная остаточная ёмкость больше, чем допускает производитель.

Не буду загромождать статью таблицами с данными измерений. Кому действительно интересно – задавайте вопросы в комментариях.

Испытания аккумулятора Prometheus 1205

Фактически снятая с аккумуляторной батареи ёмкость равняется произведению тока разряда на продолжительность разряда. И в каждый момент времени, зная ток, можно рассчитать снятую с АКБ энергию.

Разряд АКБ на нагрузку (внизу). Контролирует процесс младший научный сотрудник Арчи)

Например, если разряжать АКБ на нагрузку 27,7 Ом, при начальном напряжении 13,1 В это означает начальный ток разряда 13,1/27,7=0,47А. При этом токе конечное напряжение разряда равно 10,5 В. Засекаю время, которое проходит при этом токе до момента, пока напряжение на АКБ не опустится до 10,5В, и умножаю начальный ток на время, получаю ёмкость.

Однако, такой способ не очень точный, поскольку напряжение и ток в процессе разряда меняются. Поэтому лучше измерения проводить при помощи вольтметра и амперметра, разбивая процесс на значимые промежутки времени.

В идеале длительность этих промежутков должна стремиться к нулю, для обеспечения максимальной точности измерений.

Я несколько раз заряжал и разряжал АКБ, после 3 или 4 раза получились такие таблицы:

Таблица заряда

В таблице приведены напряжения и токи в начале и конце каждого интервала. Емкость данного интервала вычислялась как произведение тока на время интервала. Ток в начале интервала я регулировал напряжением блока питания.

Таблица разряда

“Быстрый” разряд в течении 12 часов дал значение ёмкости 4,64 А·ч. Было бы время разряда больше – результат мог бы приблизиться к номиналу 5 А·ч. Считаю, что такие показания ёмкости очень неплохие, особенно, учитывая, что АКБ выдержал пару разрядов ниже 6 В и несколько “КЗ наоборот” – я несколько раз подавал зарядный ток до 5 А.

Процесс разряда

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Этот важный параметр косвенно показывает, насколько качественный экземпляр АКБ перед нами, с учетом отработанного ресурса и бережного обращения. Измеряют его при максимальном заряде. И разумеется, чем он меньше, тем лучше. Об этом знают те читатели, которые имеют понятие о законе Ома для полной цепи, в котором как раз и участвует внутреннее сопротивление.

Это теоретическая величина, которая, однако, имеет вполне практическое последствие своего существования. Проявляется внутреннее сопротивление в том, что напряжение на клеммах аккумулятора имеет свойство падать при подключении нагрузки. Кстати, как известно из курса теории цепей, напряжение АКБ (да и любого реального источника напряжения) имеет две крайние точки: максимальную (на холостом ходе, т.е. совсем без нагрузки) и минимальную (при КЗ, когда напряжение на выходе АКБ будет равно нулю, ток максимальным, а вся энергия будет выделяться на внутреннем сопротивлении, приводя к его перегреву и даже взрыву).

Идеального источника напряжения не существует, т.к его внутреннее сопротивление должно будет равно 0 Ом, а внутренняя энергия – бесконечной. Точнее, он существует, но только в учебниках, как идеальная синусоида (статья скоро будет).

Итак, чтобы посчитать внутреннее сопротивление, нужно использовать формулу делителя напряжения, в которой R1 – это искомое внутреннее сопротивление, а R2 – сопротивление нагрузки. При измерении нужно узнать два напряжения – при ХХ и при подключенной нагрузке, а также ток (разумеется, через нагрузку). Далее величину изменения нагрузки ΔU делим на ток, и получаем величину внутреннего сопротивление. Ведь ΔU – это по факту величина падения напряжения на внутреннем сопротивления.

Закон Ома, типичный случай.

Делать я буду это в двух крайних точках: при полностью заряженном и при полностью разряженном аккумуляторе.

Заряженный АКБ: 12,84 – 12,81 = ΔU = 0,03 В, при токе 1,2 А. 0,03/1,2 = 25 мОм. Это ниже, чем в инструкции (26 мОм).

Разряженный АКБ: 11,9 – 11,3 = ΔU = 0,03 В, при токе 1,5 А. 0,3/1,5 = 200 мОм.

То, что токи разные, не удивляйтесь – нагрузки были тоже разные, ток я измерял амперметром прямого включения ADC.

Температурная компенсация тока заряда

Поскольку при понижении температуры все химические процессы замедляются, их приходится “подстёгивать”. В данном случае нужна отрицательная температурная компенсация – чтобы ток заряда был нужным, приходится повышать напряжение заряда. Температурная компенсация для циклического заряда составляет -30мВ/°С. Для буферного заряда компенсация должна быть не такой большой, до -18мВ/°С.Чтобы было понятнее, я составил таблицу:

Температурная компенсация тока заряда для AGM АКБ

Из этой таблицы можно сделать вывод, что летом можно ставить напряжение заряда 14,4В (это будет пределом при температуре 45°С). Зимой напряжение заряда нужно повышать до 15,6В, а если вы живёте в Сибири или за полярным кругом – до 16…16,5В. Разумеется, если АКБ установлена в неотапливаемом помещении, как у меня.

Но тут ограничение наступает, исходя из погодных условий – при отрицательной температуре AGM АКБ практически не заряжается (не берёт заряд). Поэтому моя теоретическая таблица при температуре ниже минус 10°С смысла не имеет – там работают другие физические законы.

Если напряжение заряда слишком завысить, то летом АКБ будет очень быстро заряжаться, но потом может перегреться и закипеть. Если сделать слишком низким – АКБ будет заряжаться очень медленно, и за время дневной солнечной активности может не успеть зарядиться. Фактически это будет буферный, щадящий режим. В этом режиме будут оказывать влияние на заряд два негативных фактора – низкая температура и низкая солнечная активность. Разумеется, особенно зимой.

Главное при этих манипуляциях в стремлении выжать максимум из солнца и АКБ – не забывать переводить настройки заряда с летнего на зимний режим, и обратно.

Впрочем, зимой солнце не очень активно, и повышать предел напряжения заряда возможно не имеет смысла – ведь реальное напряжение с солнечной батареи никогда его не достигнет. Поэтому можно поставить на круглый год 14,5-14,8В, если хотите запасти максимальное количество энергии, и 14,0-14,4 – если хотите сэкономить ресурс батареи.

Правда, эти рекомендации сильно зависят и от характера нагрузки, поэтому решать нужно опытным путем в каждом конкретном случае.

Кстати, поделитесь, кто каким зарядным устройством пользуется? Интересно, есть такие умные устройства, которые учитывают все тонкости заряда?

Понравилось? Поставьте оценку, и почитайте другие статьи блога!

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Загрузка...