Сравнение разных типов разрядных устройств

Всё большее и большее число электронных устройств входит в нашу жизнь, но не одно электронное устройство не может работать без источника энергии. Поэтому, как следствие, развиваются и автономные источники энергии – аккумуляторы. С ростом потребности в энергии растёт и ёмкость аккумуляторных батарей, а также их технологичность. С каждым годом количество энергии, запасаемой аккумулятором, увеличивается, а размеры уменьшаются. Тем не менее, темпы развития электроники значительно опережают темпы развития аккумуляторов, поэтому до сих пор аккумулятор – это один из самых дорогих элементов в устройстве с автономным питанием. К тому же аккумулятор – это один из самых опасных элементов в электронном устройстве.  При неправильном обслуживании аккумулятор может загореться или даже взорваться или преждевременно потерять требуемую ёмкость. Всё это приводит к тому, что зарядные устройства так же совершенствуются, и к зарядным устройствам предъявляются более жёсткие требования. Так, в последнее время увеличивается спрос не просто на зарядные устройства, а на зарядно-разрядные. Такие устройства позволяют помимо заряда АКБ проводить циклы десульфатации кислотных АКБ и контрольно-тренировочные циклы щелочных АКБ.

На сегодняшний момент существует несколько типов самых распространённых разрядных устройств, для обслуживания АКБ.

1. Тепловые

   - С постоянной нагрузкой (резисторы)

   - С управляемой нагрузкой (активная нагрузка)

2. Импульсные преобразователи (инверторы) с рекуперацией энергии в электрическую сеть

3. Тиристорные с низкочастотным трансформатором с рекуперацией энергии в электрическую сеть

Тепловые с постоянной нагрузкой по принципу разряда не отличаются от тепловых с управляемой нагрузкой, т.к. оба устройства осуществляют разряд за счёт преобразования электрической энергии в тепловую. Принципиальным отличием является то, что устройства с постоянной нагрузкой по мере падения напряжения АКБ не могут изменять сопротивление нагрузки, таким образом, пропорционально уменьшению напряжения уменьшается и ток разряда. Такой режим позволяет провести тренировку аккумулятора, однако не позволяет оценить его ёмкость (провести контроль). Устройства с управляемой нагрузкой могут уменьшать сопротивление по мере разряда АКБ таким образом, чтобы поддерживать постоянный ток разряда. Эти устройства позволяют точно оценить реальную ёмкость АКБ, обеспечивают проведение полноценного контрольно-тренировочного цикла.

Так как принцип работы обоих тепловых устройств одинаков, то будем дальше рассматривать только устройства с управляемой нагрузкой.

Чтобы понять отличие в работе всех типов устройств, соберём небольшой стенд, для оценки разрядного тока и состояния напряжения на клеммах АКБ в процессе разряда.

Схема стенда приведена ниже:

Для измерения тока используем шунт 75ШСМ-100А (100А, 75мВ), данные с шунта подаются на операционный усилитель AD8628. Коэффициент усиления равен K=1+(R2/R1)=1+26700/510=53.353.

Так как шунт 100А при 75мВ, тогда каждый мВ на шунте равен 1мВ=100/75=1.333А. Учитывая коэффициент усиления, получим что на осциллографе каждый 1мВ=1.333/53.353=0.024985А.

Снимем осциллограммы тока и напряжения при работе каждого типа устройств. Задаваемый ток для всех устройств минус 10А при входном напряжение АКБ около 50В.

Для испытания будем использовать устройства:

1. С тепловым разрядным модулем.
2. С высокочастотным импульсным рекуператором
3. Тиристорное с низкочастотным сетевым трансформатором

Осциллограммы разряда при токе 10А для каждого устройства приведены ниже: 

С точки зрения разрядной характеристики идеальными являются тепловые разрядные устройства. На графике видно, что ток потребляется равномерно, а это значит, что после проведения контрольного цикла разряда будет получено точное значение ёмкости АКБ. К тому же выход на заданное значение тока происходит за время порядка 100 мс, что позволяет использовать тепловой разряд для проведения циклов десульфатации реверсивными токами (чередования импульсов заряда и разряда на частоте до 1Гц). Недостатком тепловых разрядных устройств является то, что при их работе выделяется большое количество тепла равное U_АКБ*I_{разряда}. При больших напряжениях АКБ или больших токах разряда, необходимо утилизировать большое количество тепла. Однако стоит ещё раз подчеркнуть, что с точки зрения разрядной кривой этот тип разрядных устройств является наилучшим. Большинство предлагаемых на рынке тепловых разрядных устройств имеют внушительные габариты и массу, обусловленных проблемами с утилизацией большого количества тепла. Нашей компании удалось частично решить эту проблему и разработать довольно компактные тепловые разрядные устройства. Так разрядное устройство на 6кВт помещается в стандартный корпус размером 3U для стойки 19’. Ещё одним преимуществом тепловых разрядных устройств является стоимость.

Высокочастотные импульсные рекуператоры представляют собой инверторы, которые имеют возможность синхронизироваться с сетью 220В или 380В. Суть работы таких изделий заключается в том, что они преобразуют постоянное напряжение АКБ в переменное и возвращают его в электрическую сеть общего пользования. Естественно, что возвращённая энергия никуда не девается, а расходуется остальными потребителями (бытовые приборы, обогреватели и т.д.). Таким образом, количество энергии, потребляемое из сети от поставщика электроэнергии уменьшается на то количество, которое возвращает рекуператор при разряде АКБ. Экономия электроэнергии – это одно из важнейших преимуществ разрядных устройств с рекуперацией. Второе важное преимущество – это практически отсутствие выделение тепла. КПД таких преобразователеей достигает 95%, таким образом, только 5% отбираемой из АКБ энергии преобразуется в тепло, остальная же энергия возвращается обратно в электросеть. Недостатком импульсных рекуператоров является некоторые пульсации тока при разряде, которые видны на осциллограмме. В графике тока присутствуют и высокочастотные пульсации, равные частоте коммутации силовых элементов и низкочастотные, равные 100Гц, связанные с нестабильностью сети 220В и необходимостью рекуператора постоянно подстраиваться под изменение частоты и амплитуды внешней сети. Из осциллограммы видно что амплитуда пульсаций составляет 72мВ, , т.е. 72*0.024985А=1.8А, или ±0.9А от заданного тока 10А, что составляет менее 10%. Таким образом при проведении контрольного цикла разряда в самом худшем случае погрешность измерения ёмкости не превысит 5%. Так же стоить отметить что рекуператоры нашей компании специально разрабатывались для обслуживания аккумуляторов и предназначены для проведения КТЦ уже бывших в употреблении АКБ, поэтому не допускают больших пульсаций тока и токовых перегрузок АКБ, которые могут повредить старую АКБ. Высокочастотные импульсные рекуператоры - идеальное решение для АКБ, имеющих большое напряжение или большой ток разряда, с мощностями выше 4кВт, т.к. они не выделяют тепло, экономят электроэнергию и при этом обеспечивают характеристику разряда, близкую к тепловым разрядным модулям. Помимо этого, данные рекуператоры имеют маломощный тепловой разрядный модуль, обеспечивающий совместно с зарядным модулем циклы десульфатации.

Разрядное устройство с функцией рекуперации на тиристорах, как видно из осциллограммы, не является потребителем постоянного тока. Хоть производители и утверждают, что тиристорные ЗРУ являются источниками и потребителями постоянного тока, на деле же это не так - это источники и потребители переменного тока. Из осциллограммы видно, что частота пульсаций тока составляет 300Гц, что естественно, т.к. частота каждой фазы 50Гц, выпрямленная частота 100Гц, имея 3 фазы, получаем частоту работы устройства равной 300Гц. Посмотрим на осциллограмму: размах амплитуды тока составляет 808мВ,  т.е. 808*0.024985А=20.2А или ± 10.1А от заданных 10А, что составляет более 100%!!! Очевидно, для аккумулятора такие токовые перегрузки ничего хорошего не принесут. Обратите внимание на график напряжения АКБ, на нём видно, как «просаживается» напряжение АКБ в момент токовой перегрузки. В целом разряд импульсами для любого АКБ является предпочтительным, т.к. в паузах кислота из электролита успевает подойти к пластине, но частота должна быть не более 1Гц, т.к. время на диффузию кислоты требуется около 1с и более (оптимальная частота 0,5Гц).  Данные тиристорные устройства работают на частоте 300Гц, что в 600 раз больше оптимальной частоты пульсации тока. Очевидно, что такие короткие паузы не имеют особого эффекта, при этом аккумулятор испытывает 100% токовые перегрузки. На дисплее устройства не отображается реальная пульсация тока, а отображается среднеарифметическая величина, т.е при размахе тока 20А на дисплее отображается 10А. Подсчёт ёмкости АКБ так же производится исходя из среднеарифметического тока 10А. Как следствие данные о ёмкости, полученные устройством, не соответствуют реальным значениям ёмкости АКБ, т.к. известно, что с ростом тока разряда падает ёмкость АКБ. Эта зависимость описана Пейкертом и выражается формулой I^P*T=const.  Соответственно использовать тиристорные устройства для оценки значений ёмкости АКБ нельзя, их можно использовать только для сравнения двух одинаковых АКБ, например, один АКБ выдерживает такой режим разряда 2 часа, а другой только 1.5ч, значит первый АКБ лучше, чем второй. Помимо того, что данные устройства не отражают реальную ёмкость АКБ при проведении контрольных циклов, они так же не очень подходят для проведения тренировочных циклов. Как правило, тренировку производят для уже не новых АКБ. Но если аккумулятор уже потерял ёмкость и требует щадящих режимов разряда и заряда для восстановления ёмкости, то вместо этого разрядное устройство будет подавать на АКБ ток с двукратным превышением от заданного, что может привести к ещё большему падению ёмкости АКБ. Т.е. проведение постоянных таких тренировок может привести к ухудшению характеристик АКБ, поэтому проводить КТЦ на подобных устройствах стоит с осторожностью. Очевидно, что на данных устройствах проводить циклы десульфатации так же невозможно. Стоит отметить, что у данных устройств есть одно преимущество перед импульсным рекуператором – это возможность работать при низких температурах. Это особенность обусловлена отсутствием электролитических конденсаторов в данных устройствах. Однако, тепловые разрядные устройства так же могут работать при минусовых температурах. Впрочем, при минусовых температурах больше проблем возникает у самих АКБ, связанных с застыванием электролита и резкой потери ёмкости АКБ.

ВЫВОД:  Наилучшими с точки зрения разрядных характеристик являются тепловые разрядные устройства, но из-за выделения большого количества тепла они подходят для обслуживания АКБ, требующих разрядную мощность до 12кВт (при условии применения современных разрядных устройств справляющихся с утилизаций такого количества тепла): автомобильные, авиационные, промышленные, АКБ для источников бесперебойного питания, тяговых АКБ, АКБ погрузчика и электрокаров, железнодорожных подвагонных. Высокочастотные рекуператоры являются альтернативой тепловым разрядным устройствам и их применение оправдано для АКБ большой ёмкости и напряжения, например тяговых АКБ, АКБ погрузчика и электрокаров, железнодорожных подвагонных, тепловозных или локомотивных АКБ. Применение тиристорных ЗРУ с рекуперацией оправдано только в том случае, если нет возможности купить другие виды ЗРУ или нет необходимости заботиться о затратах на закупку АКБ и менять их не заботясь о продлении ресурса АКБ. Тиристорные устройства уже морально устарели и не отвечают требованиям, предъявляемым к зарядно-разрядным устройствам современными АКБ. К тому же тепловые разрядные устройства значительно дешевле тиристорных. Разрядные устройства с рекуперацией пока ещё дороже, однако, с развитием технологий и ростом цен на медь, стоит ожидать, что цены на импульсные разрядные устройства с рекуперацией будут ниже, чем цены на устройства с тиристорными выпрямителями. В подтверждение этому говорит тот факт, что уже сейчас мощные импульсные зарядные устройства значительно дешевле тиристорных, при этом обеспечивают лучшие характеристики тока заряда.