Mi az úszófeszültség?

A lebegő feszültség az a feszültségszint, amelyet egy teljesen feltöltött akkumulátorra alkalmaznak, hogy fenntartsa a töltöttségét az önkisülés ellensúlyozásával. Ez a karbantartási feszültség megakadályozza mind az alul-, mind a túltöltést, így az akkumulátor készen áll az azonnali használatra tartalék energiaellátó rendszerekben, vészhelyzeti berendezésekben és megújuló energiát használó berendezésekben.

Az akkumulátorok nem maradnak töltve a végtelenségig. Bármilyen terhelésről leválasztva is, minden akkumulátor ön-kisülést- tapasztal, ami a belső kémiai reakciók miatt fokozatosan csökken. Az ólom-savas akkumulátorok havonta nagyjából 3-5%-ot veszítenek kapacitásukból szobahőmérsékleten, míg egyes lítiumvegyületek 1-3%-ot veszítenek.

Az úszótöltés ezt úgy oldja meg, hogy állandó, alacsony feszültséget alkalmaz, amely pontosan azt pótolja, amit az akkumulátor elveszít az önkisülés miatt. A töltő és az akkumulátor párhuzamosan működik, a töltő éppen annyi áramot biztosít, hogy az akkumulátort teljes kapacitáson tartsa anélkül, hogy túlzott áramot erőltetne, ami károsítaná a cellákat.

A koncepció kritikussá válik a készenléti alkalmazásokban. Az adatközpontok szünetmentes tápegységeihez 100%-os kapacitású akkumulátorokra van szükség, ha a hálózat meghibásodik. A vészvilágítási rendszereknek áramkimaradás esetén azonnal működésbe kell lépniük. Ezek a forgatókönyvek olyan akkumulátorokat követelnek meg, amelyek hónapokig tétlenül állnak, mégis teljesen feltöltöttek maradnak-, pontosan annyit, amennyit a lebegő feszültség biztosít.

Float Voltage

A különböző akkumulátortípusok határozottan eltérő úszófeszültséget igényelnek, és a nem megfelelő feszültség használata jelentősen csökkentheti az akkumulátor élettartamát vagy biztonsági kockázatokat okozhat.

Az ólom-savas akkumulátorok, beleértve az elárasztott, AGM és gél változatokat is, jól-bevált úszófeszültség-tartományokkal rendelkeznek. 25 fokon (77 F) a szabvány körülbelül 2,25-2,30 volt cellánként. Egy tipikus 12 V-os, hat cellás akkumulátor esetén ez 13,5-13,8 V-ot jelent.

Az elárasztott ólom-savas akkumulátorok általában 13,4 V-on (cellánként 2,23 V) lebegnek, ami valamivel alacsonyabb, mint a zárt változatoknál, hogy minimalizálja az elektrolit-gázosodásból származó vízveszteséget. Az AGM akkumulátorok kényelmesen működnek 13,5-13,6 V-on, míg a zselés akkumulátorok a 13,1-13,3 V-ot részesítik előnyben a túltöltési feszültségre való érzékenységük miatt.

Ezek az értékek nem önkényesek. Lebegő feszültségen az akkumulátor minimális áramot -általában kevesebb, mint az amper-órás kapacitásának 1%-a. Egy 100 Ah-s akkumulátor csak 0,5-1 ampert fogyaszthat az úszótöltés során, ami éppen elegendő az önkisülés ellensúlyozására anélkül, hogy az akkumulátor kémiai összetételét megterhelné.

A hőmérséklet drámaian befolyásolja az optimális úszófeszültséget. Az ólom-savas akkumulátorokban az elektrokémiai reakciók hő hatására felgyorsulnak, hidegre pedig lelassulnak. Az iparági szabványos hőmérséklet-kompenzáció körülbelül -3,9 mV fokonként cellánként. Egy 12 V-os akkumulátornál ez körülbelül -23 mV fokonként a teljes csomagra.

Vegyünk egy gyakorlati példát: 12 V-os elárasztott akkumulátor 13,4 V-os úszófeszültséggel 25 fokon. Ha a környezeti hőmérséklet 35 fokra emelkedik (10 fokos növekedés), a kompenzált úszófeszültség 13,17 V lesz. E beállítás nélkül a magasabb feszültség magasabb hőmérsékleten túlzott gázképződést és vízveszteséget okozna. Ezzel szemben 15 foknál az úszófeszültségnek 13,63 V-ra kell nőnie, hogy elkerülje az alultöltést a hidegebb körülmények között.

A lítium akkumulátorok összetettebb képet mutatnak. Míg az ólom-savas akkumulátorokat az úszótöltést szem előtt tartva tervezték, a lítium kémiája-különösen a lítium-ion- gondos mérlegelést igényel az állandó úszófeszültség alkalmazása előtt.

A LiFePO4 (lítium-vas-foszfát) akkumulátorok jól konfigurálva elviselik az úszótöltést. Az ajánlott úszófeszültség cellánként 3,35 és 3,45 V között van (12 V-os csomag esetén 13,4–13,8 V). Azonban még a LiFePO4 sejtek is felgyorsult öregedést tapasztalnak, ha huzamosabb ideig maximális feszültségen tartják őket.

A szabványos lítium-ion cellák (NMC, NCA kémia) nagyobb kockázatnak vannak kitéve. Ezek a cellák általában cellánként 4,2 V-ra töltenek fel, de ezen a feszültségen tartásuk folyamatosan feszültséget okoz az elektródák anyagában. A katód szerkezeti változásokon megy keresztül, az anódon lítiumbevonat léphet fel, mellékreakciók pedig felgyorsítják az elektrolit bomlását.

Íme, hollítium-ion akkumulátortöltőa tervezés kritikussá válik. A minőségi lítium-ion akkumulátortöltők általában nem használnak valódi úszótöltést. Ehelyett "tárolási feszültség" stratégiát alkalmaznak, -hogy cellánként 3,9-4,0 V-ra töltsék fel, majd lekapcsolják, és csak akkor kapcsolják vissza, ha a feszültség egy küszöb alá esik. Ez megakadályozza a hagyományos úszótöltés állandó feszültségfeszültségét.

A lítium akkumulátorok akkumulátor-kezelő rendszerei (BMS) folyamatosan figyelik a cellafeszültséget. Az úszótöltés megkísérlésekor a BMS-nek biztosítania kell a tökéletesen kiegyensúlyozott cellákat és a pontos feszültségszabályozást. Már az ajánlott feszültség feletti 50-100 mV is felgyorsult leromlást válthat ki.

A gyakorlati következtetés: a legtöbb lítium-ion akkumulátortöltő gyártó kifejezetten azt tanácsolja, hogy ne használjanak folyamatos úszótöltést a lítium--ion akkumulátorok esetében. Ehelyett azt javasolják, hogy a hosszú távú készenléti alkalmazásokhoz rendszeres "feltöltés"{2}}töltést vagy 80-90%-os töltöttségi állapotú tárolást végezzen.

Float Voltage

Az úszófeszültség nem létezik elszigetelten,-ez egy háromfázisú-töltési folyamat utolsó szakasza, amelyet a legtöbb modern akkumulátortöltő ólom--savas és egyes lítiumkémiai anyagokhoz használ.

Az ömlesztett fokozat maximális áramot szolgáltat az akkumulátor kapacitásának gyors helyreállításához. Ha az akkumulátor jelentősen lemerült,-mondjuk, 80% alatti kapacitás-, akkor nagy áramerősséget is képes fogadni. A megfelelő méretű töltő az akkumulátor kapacitásának 15-25%-át adja le amperben. Egy 100 Ah-s akkumulátor 15-25 ampert kaphat tömeges töltés során.

A tömeges töltés során a feszültség folyamatosan emelkedik, ahogy az akkumulátor töltöttségi állapota növekszik. Egy 12 V-os ólom-savas akkumulátor esetén a feszültség mélykisülés esetén 11,5 V-ról körülbelül 14,4 V-ra emelkedhet a tömeges fázis végére. A töltő állandó áramot tart fenn, miközben a feszültség követi az akkumulátor elfogadását.

Az akkumulátor kapacitásának körülbelül 80%-a helyreáll a tömeges töltés során. Ez a szakasz viszonylag gyors-egy mélyen lemerült 100 Ah-s akkumulátor 3-5 óra alatt teljesíti a tömeges töltést 20 amperes töltővel.

Ahogy az akkumulátor kapacitása megközelíti a 80-90%-ot, az áramfelvételi képessége csökken. A töltő abszorpciós üzemmódba vált, állandó feszültséget tartva (általában 14,4-14,8 V 12 V-os ólomsav esetén), miközben az áram természetesen csökken.

Az abszorpció során a töltőáram 15 amperről 5 amperre, majd az akkumulátor teljes kapacitásának közeledtével 2 amperre csökkenhet. Az akkumulátorlemezekben lezajló kémiai reakciók lelassítják-az aktív anyagok helyei elfoglalódnak, a belső ellenállás pedig kissé megnő.

Ez a szakasz tovább tart, mint a tömeges, annak ellenére, hogy csak a kapacitás 10{5}}20%-át állítja helyre. Ugyanaz a 100 Ah-s akkumulátor 3-4 órát tölthet abszorpciós módban. A töltő általában figyeli az áramerősséget, és megvárja, hogy az egy küszöbérték alá csökkenjen – talán C/50 (2 amper egy 100 Ah-s akkumulátor esetén), mielőtt lebegő üzemmódra váltana.

Amikor az abszorpció befejeződött, a töltő a feszültséget az úszó szintre csökkenti. A 12 V-os ólom-savas példánk esetében a feszültség 14,4 V-ról 13,5 V-ra esik. Az áramerősség azonnal minimális szintre-esik, gyakran 1 amper alá.

Az akkumulátor most lényegében "pihen" teljes feltöltéssel. Az alacsony úszófeszültség megakadályozza a nagy-áramú töltést, amely gázképződést okozna elárasztott akkumulátorokban vagy feszültséget a lezárt akkumulátorokban. A minimális áram egyszerűen pótolja azt, amit az akkumulátor elveszít az önkisülés miatt.

A modern három-fokozatú töltők korlátlanul lebegő üzemmódban maradhatnak. A megfelelő úszótöltőhöz csatlakoztatott akkumulátor hónapokig vagy akár évekig is elállhat, és szükség esetén mindig készen áll a teljes kapacitás leadására. Ez ideálissá teszi az úszótöltést az UPS-rendszerek készenléti akkumulátoraihoz, a vészvilágításhoz és a riasztórendszerekhez.

Az adatközpontok nagymértékben támaszkodnak a megfelelő úszófeszültség-kezelésre. Egy tipikus szünetmentes tápegység több tucat 12 V-os akkumulátort tartalmazhat sorba sorban, hogy 480 V-os vagy magasabb egyenáramú buszfeszültséget hozzon létre. Ezek az akkumulátorok folyamatosan lebegnek, néha évekig a kisülési események között.

Az UPS akkumulátortöltői általában a gyártó -meghatározott úszófeszültségén- 2,27 V/cellán tartják az akkumulátorokat a VRLA (szelepes-szabályozott ólom-savas) akkumulátorok esetén. A hőmérséklet-érzékelők ezt a feszültséget folyamatosan szabályozzák. Egy 480 V-os szünetmentes tápegység 20 tizenkét -voltos akkumulátorral sorba kapcsolva pontos feszültségszabályozást igényel mind a 240 cellán.

A kihívás az akkumulátor öregedésével fokozódik. Az akkumulátorok öregedésével az önkisülési arányuk növekedhet, ami némileg eltérő úszófeszültséget igényel. A fejlett UPS-rendszerek szálonkénti feszültségfigyelést alkalmaznak a leromlott akkumulátorok észlelésére, amelyek túlzott lebegőáramot vesznek fel,-ez a rövidzárlat vagy a kiszáradt cellák{5}}jele.

A hálózaton kívüli-napelemes berendezések egyedülálló úszótöltési kihívásokat jelentenek. Az akkumulátorok napsütéses időszakokban napokat vagy heteket töltenek teljesen feltöltve, majd hosszan tartó felhős időben lemerülnek.

A napelemes töltésvezérlők kifinomult lebegő algoritmusokat használnak. Napközben, amikor az akkumulátorok elérik a teljes feltöltődést, a vezérlő a panel feszültségét lebegő szintre csökkenti. Ez megakadályozza a túltöltést, miközben lehetővé teszi, hogy a panelek közvetlenül táplálják a háztartási terheléseket. Éjszaka, amikor a panelek nem termelnek áramot, az úszótöltés nyilvánvalóan leáll, és az akkumulátorok lemerülnek.

A legfontosabb különbség az UPS alkalmazásokhoz képest a kerékpározás. A napelemek napi 8-12 órán keresztül lebeghetnek, éjszaka lemerülhetnek, majd másnap újratölthetők. Ez a minta erőteljesebb hőmérséklet-kompenzációt igényel, mivel az akkumulátor hőmérséklete jelentősen ingadozhat nappal és éjszaka között.

A járműakkumulátorok eltérő úszótöltési forgatókönyvet mutatnak be. Amikor a motor jár, a generátor ömlesztett feszültséggel (14,2-14,4 V) töltődik. A modern generátorok azonban intelligens szabályozókat tartalmaznak, amelyek csökkentik a feszültséget, amikor az akkumulátor teljesen feltöltődik, és lényegében úszótöltést biztosít vezetés közben.

A tengeri akkumulátorrendszerek gyakran elválasztják a ház akkumulátorait (világításhoz és elektronikához) az indítóakkumulátoroktól. A ház akkumulátorai úszótöltésben maradhatnak a partról vagy a napelemekről, amíg a hajó kiköt. A minőségi tengeri akkumulátortöltők több -bankos töltést tesznek lehetővé, független úszófeszültség-beállításokkal a különböző akkumulátorbankokhoz.

A megfelelő úszófeszültség beállításához az alapvető feszültségspecifikáción túl több tényezőre is oda kell figyelni.

Hőmérséklet-kompenzáció nélkül az akkumulátorok szenvednek. A 40 fokos berendezési helyiségben 13,8 V-ot kapó akkumulátor ugyanolyan feszültséget tapasztal, mint egy 25 fokos akkumulátor, amely 14,2 V-ot -mindkettő jóval meghaladja az aktuális hőmérséklethez tartozó biztonságos úszófeszültséget.

A minőségi akkumulátortöltők hőmérséklet-érzékelőket tartalmaznak. Az érzékelő lehet belső (ha a töltő az akkumulátorokkal közös házban van) vagy távoli (az akkumulátorokra vagy azok közelében elhelyezett szonda). A töltő mikrokontrollere automatikusan beállítja a kimeneti feszültséget a hőmérsékleti értékek alapján.

A kompenzáció kiszámítása egyszerű: 12 V-os ólom-savas akkumulátor esetén 6 cellával és 13,5 V-os alapvonali úszófeszültséggel 25 fokon használjon -3,9 mV/fok × 6 cella=-23.4mV/fok értéket. Ha az akkumulátor hőmérséklete 30 fok, állítsa be a feszültséget (30-25) × -0,0234 V=-0.117 V értékkel, így 13,38 V-ot kap.

Az úszóáram megmutatja az akkumulátor állapotát. Egy egészséges akkumulátor lebegő üzemmódban az Ah névleges teljesítményének kevesebb, mint 1%-át használja amperben. A lényegesen nagyobb áramerősség problémákat jelez: belső rövidzárlat, kiszáradt-cellák az elárasztott akkumulátorokban vagy a korábbi alultöltés miatti szulfatio.

A fejlett akkumulátor-felügyeleti rendszerek nyomon követik a lebegő áram időbeli trendjeit. A fokozatos növekedés gyakran hónapokkal előzi meg az akkumulátor meghibásodását, figyelmeztetést adva arra, hogy a karbantartási időszak alatt ütemezze be a cserét, ahelyett, hogy meglepő hibákat tapasztalna.

Számos buktató sújtja rendszeresen az úszó töltőrendszereket. Talán a legelterjedtebb az egyik akkumulátor kémiához tervezett töltő használata a másikkal. Az elárasztott akkumulátortöltőn lévő gél akkumulátor, amely a szükséges 13,2 V helyett 13,8 V-ot kap, túlmelegszik és idő előtt meghibásodik.

Egy másik gyakori hiba a hőmérséklet-kompenzáció figyelmen kívül hagyása jelentős hőmérséklet-ingadozású környezetben. Egy kültéri távközlési szekrényben lévő akkumulátorbank évente -10 és 50 fok közötti hőmérsékletet tapasztalhat. Kompenzáció nélkül az akkumulátorok nyáron krónikusan túl, télen pedig alul vannak töltve, ami drasztikusan csökkenti az élettartamot.

Az abszorpcióról a lebegésre való átmenet hiánya szintén problémákat okoz. Egyes alacsony-minőségű töltők soha nem csökkentik a feszültséget a megfelelő szintre, ehelyett korlátlan ideig abszorpciós feszültségen tartják az akkumulátorokat. Ez órákig vagy akár napokig működik, de halmozott károkat okoz hetek és hónapok folyamatos kapcsolattartása során.

Float Voltage

A kutatások folyamatosan azt mutatják, hogy a megfelelő úszótöltés jelentősen meghosszabbíthatja az akkumulátor élettartamát. Az ólom-savas akkumulátorok megfelelő lebegőfeszültségen és hőmérséklet-kompenzációval karbantartva 8-10 éves üzemidőt érhetnek el készenléti alkalmazásokban, szemben a 4-5 évvel, amikor az úszófeszültséget rosszul kezelik.

A mechanizmus egyszerű: a túltöltés rácskorróziót okoz az ólom--savas akkumulátorokban, és felgyorsítja az aktív anyagok leválását. Az alultöltés lehetővé teszi, hogy az ólom-szulfát-kristályok nagyra és keményre nőjenek, ezáltal tartósan csökken a kapacitás. Az úszófeszültség azt az édes pontot éri el, ahol egyik jelenség sem dominál.

A lítium akkumulátorok esetében a hosszú élettartam előnye az állandó magas feszültség elkerülése. A lítium{1}}ion cellák 4,2 V-on való tárolása 3,9 V-tal szemben 30-40%-kal csökkentheti a ciklus élettartamát. A minőségi lítium-ion akkumulátortöltők beépítik ezt a tudást, vagy teljesen elkerülik az úszótöltést, vagy jóval a maximális töltési feszültség alatti feszültséghatárokat alkalmaznak.

Mindig az akkumulátorgyártó specifikációinak kell elsőbbséget élvezniük. Míg az általános irányelvek kiindulási pontokat adnak, az egyes akkumulátoroknak gyakran egyedi követelményei vannak a belső felépítésük, az elektródák anyaga és a tervezett alkalmazás alapján.

Az úszótöltés nem az egyetlen módja az akkumulátorok karbantartásának, bár a helyhez kötött alkalmazásoknál ez a leggyakoribb.

A csepegtető töltés állandó alacsony áramerősséget alkalmaz állandó feszültség helyett. Ebből a régebbi módszerből hiányzik az úszótöltés intelligenciája, és túltöltheti az akkumulátorokat, ha a csepegtetőáram meghaladja az önkisülési áramot. A modern három-lépcsős töltők jó okkal váltották fel az egyszerű csepegtető töltőket.

Az impulzusos töltés szakaszos áramimpulzusokat használ folyamatos feszültség helyett. Egyes gyártók azt állítják, hogy az impulzustöltés csökkenti az ólom--savas akkumulátorok szulfátosodását, bár a bizonyítékok vegyesek. Az impulzustöltés kevésbé gyakori a főbb alkalmazásokban.

A lítium akkumulátorok esetében a "tárolási módú" töltés elterjedt. A töltő rendszeres időközönként ellenőrzi a feszültséget, és ha a feszültség egy küszöbérték alá esik, feltölti a -feltöltést, majd lekapcsol. Ezzel elkerülhető a hagyományos úszótöltés folyamatos csatlakoztatása, miközben az akkumulátorokat használatra készen tartja.

Az úszófeszültség a modern akkumulátor-karbantartás alapvető szempontja, különösen a készenléti energiaellátási alkalmazásoknál. Az ólom-savas akkumulátorokat jól-jellemző viselkedésükkel és magas önkisülési-arányukkal gyakorlatilag úszótöltésre tervezték. A feszültség elég alacsony ahhoz, hogy megakadályozza a károsodást, ugyanakkor elég magas ahhoz, hogy a teljes töltést korlátlan ideig fenntartsa.

A lítium akkumulátorok árnyaltabb megközelítést igényelnek. A lítium-ion akkumulátortöltők növekvő elterjedése a tartalék energiaellátási alkalmazásokban megköveteli annak megértését, hogy a hagyományos úszótöltés nem feltétlenül alkalmazható. Sok lítium akkumulátor jobb teljesítményt nyújt rendszeres -feltöltéssel, nem pedig folyamatos feszültség alkalmazásával.

A hőmérséklet szerepét nem lehet túlbecsülni. Az akkumulátorok elektrokémiája erősen reagál a hőmérsékleti viszonyokra, így a hőmérséklet-kompenzáció elengedhetetlen minden változó környezetnek kitett úszó töltőrendszerben.

A megfelelő úszótöltés, minőségi töltőkkel és megfelelő felügyelettel kombinálva az akkumulátorokat a gyakori cserét igénylő fogyóeszközökből megbízható, hosszú távú{0}}eszközökké alakítja. A jó töltőberendezésekbe való szerény befektetés megtérül a hosszabb akkumulátor-élettartam és a megbízható tartalék energia révén, amikor az a legfontosabb.