Nabíjení průmyslových akumulátorových baterií

Firma AXIMA uvedla na trh novou řadu zdrojů určených pro nabíjení olověných akumulátorů se jmenovitým napětím 12V a 24V, napájených z běžné střídavé sítě 230V v provedení na lištu DIN. Jednotlivé typy pokrývají oblast výstupních proudů od 1,3A až do 10A a mají uživatelem nastavitelné výstupní napětí v rozsahu 10..14V resp. 20..28V. Zdroj se správně nastaveným napětím díky svojí UI charakteristice umožňuje trvalé připojení k akumulátoru, jeho správné nabíjení a současné napájení připojených spotřebičů.

Volba vhodného typu nabíječe
Typ nabíječe volíme tak, aby svými parametry byl schopen zajistit nabíjení akumulátoru v dané aplikaci a nemohl zapříčinit jeho poškození. Nejdůležitějšími parametry jsou výstupní napětí a proud. Kapacita nabíjeného akumulátoru v Ah by měla být minimálně 3 násobkem proudu nabíječe, aby nebyl vybitý akumulátor namáhán příliš velkým nabíjecím proudem ani v případě, že spotřebiče zrovna neodebírají žádný proud.

Tab. 1: Přiřazení vhodného zdroje k baterii

Pokud volíme spíše menší kapacitu akumulátoru z určeného rozsahu, bude nabíjení zcela vybitého akumulátoru trvat asi 4h, pokud kapacitu vyšší, může nabíjení trvat až 18h.

Zálohované napájení 1. varianta
Nejjednodušší systém zálohovaného napájení lze vytvořit pouhým paralelním spojením nabíjecího zdroje a akumulátoru s pojistkou.

Obr.1: Nejjednodušší zálohované napájení

Výhody 1. varianty:

• velmi jednoduchá konstrukce

• nejlevnější řešení

• akumulátor je jištěn proti zkratu na výstupu a proti přepólování vůči zdroji

Nevýhody 1. varianty:

• chybí signalizace výpadku sítě

• není zde řešeno odpojení akumulátoru od zátěže jako ochrana proti jeho hlubokému vybití. Pokud tedy zátěž tvoří např. cívky stykačů, relé nebo jiné jednoduché spotřebiče, způsobí jejich trvalé připojení k akumulátoru jeho úplné vybití na 0V s následkem výrazného zkrácení životnosti, nebo zničení akumulátoru.

• při dlouhodobé odstávce zařízení (např. doprava) je nutno vyjmout pojistku baterie pro odpojení baterie od nabíječe z důvodu jejího zpětného vybíjení do výstupních obvodů nabíječe při odpojené síti.

Po obnovení síťového napájení začíná zdroj nabíjet akumulátor. Pokud však ten je v hluboce vybitém stavu, zdroj pracuje v proudovém omezení a nabíjí jej konstantním jmenovitým proudem I_N, viz. Tab.1. Při tom je však napětí sníženo a postupně roste tak, jak se akumulátor nabíjí až na hodnotu nastavenou uživatelem. Tím se mění i napětí na spotřebičích, s čímž je nutno počítat. Proud I_N je dále snížen proudem I_Z, který teče do spotřebičů, takže akumulátor je ve skutečnosti nabíjen proudem :

což prodlužuje dobu nabíjení a tím i dobu, kdy bude akumulátor znovu schopen zálohovat napájení.

Volba kapacity akumulátoru

Kapacitu akumulátoru volíme vždy o něco větší, než je součin proudu spotřebiče a času, po kterou chceme být schopni napájení zálohovat.

Je potřeba si uvědomit, že tento vztah platí spíše pro delší časy zálohování

Při velmi krátkých časech v řádu jednotek minut je potřeba kapacitu akumulátoru dimenzovat podle požadovaného proudu zátěže I_Z tak, aby kapacita akumulátoru (Ah) byla rovna nebo větší než proud I_Z. Vybíjení tímto velkým jednohodinovým proudem snižuje využitelnost kapacity asi na 60%, což znamená, že akumulátor je schopen tento proud dodávat po dobu jen asi 35minut. Pro extrémně krátké zálohovací časy do 1minuty lze akumulátor zatížit až 3 násobkem jeho kapacity.
Zatížení jednohodinovým proudem již způsobuje také výrazný pokles napětí, které i při plně nabitém akumulátoru klesá na 1,9V/článek (tj. 11,4V resp. 22,8V na baterii), vybitý má již jen napětí viz. Tab. 3.

Nastavení výstupního napětí U_N zdroje
Výstupní napětí lze nastavit trimrem na čelní stěně zdroje. Napětí musí být takové, aby mohlo být k akumulátoru připojeno trvale, ale přitom nezpůsobovalo jeho přebíjení. Toto napětí je závislé na okolní teplotě akumulátoru, viz. Tab. 2.

Tab. 2: Závislost napětí na teplotě baterie

Výrobce akumulátorů většinou udává maximální provozní teplotu 45°C s tím, že nárůst teploty o 8°C oproti doporučené provozní teplotě 25°C snižuje životnost na polovinu a výrazně roste samovybíjení. Z těchto důvodů by měl být akumulátor umístěn v nejchladnějším místě v rozváděči, tj. na jeho dně, nebo poblíž nasávacích otvorů skříně. Pokud se jedná o zcela uzavřený rozváděč, který je chlazený jen přestupem tepla přes stěnu skříně, je uvnitř jen velmi malé proudění vzduchu, což vede k velké diferenciaci teplot. Rozdíl mezi teplotou vzduchu nahoře a u dna rozváděče potom může být i několik desítek °C.

Dimenzování pojistky
Pojistku akumulátoru dimenzujeme buď podle zvoleného typu nabíječe nebo podle charakteru odebíraného proudu spotřebiči.

Pokud však spotřebiče odebírají z akumulátoru krátkodobě větší proud, je nutno pojistku dimenzovat podle těchto odběrů. Pojistku volíme pomalou typu T, postačuje i pro nízké napětí. Lze použít i pojistky automobilové.

Zálohované napájení 2. varianta
Do obvodu mezi nabíječ a akumulátor je vložena dioda.

Obr.2: Zapojení varianty číslo 2

Výhody 2. varianty:

• dioda odstraňuje nevýhodu zpětného vybíjení baterie přes výstupní obvody uvnitř nabíječe při vypnuté síti

• není nutné vyjímat pojistku při delší odstávce zařízení

Nevýhody 2. varianty:

• větší konstrukční náročnost

• při větších proudech diodou je nutno zajistit její chlazení přídavným chladičem

Dimenzování diody
V tomto případě lze s výhodou použít nízkonapěťové schottkyho diody. Závěrné napětí diody by mělo být min. 45V, lze použít např. typ PBYR 2545CT v pouzdru TO220. Tuto diodu není nutno až do celkového proudu 3A chladit, při proudech větších je nutno diodu přišroubovat na chladič. Teplota diody by při provozu neměla přesáhnout 90°C.

Zálohované napájení 3. varianta

Obr.3: Zapojení varianty číslo 3

Výhody 3. varianty:

• možnost signalizace výpadku sítě kontaktem relé

• relé nahrazuje diodu v předchozí variantě, kterou je nutno chladit a v rozváděči se obtížně umísťuje

Nevýhody 3. varianty:

• zapojení obsahuje navíc relé s cívkou na 230V

• zapojení stejně jako u předchozích variant nedává možnost omezit proud do akumulátoru pod hodnotu IN nabíječe, tzn. že při nabíjení vybitého akumulátoru je na spotřebiči nižší napětí odpovídající napětí akumulátoru

• neřeší problematiku odpojení akumulátoru při jeho hlubokém vybití

Zálohované napájení 4. varianta
Tato varianta obsahuje navíc rezistor R, přes který se akumulátor nabíjí a diodu D, přes kterou je v případě zálohy vybíjen.

Obr.4: Zapojení varianty číslo 4

Výhody 4. varianty:

• nabíjecí proud lze omezit rezistorem R, takže není nutno splnit podmínku aby kapacita nabíjené baterie v Ah byla minimálně 3 násobkem proudu nabíječe. Tuto variantu je výhodné využít hlavně v případech, kdy potřebujeme zálohovat na krátké časy jen několika minut a lze tak použít akumulátory s menší kapacitou. Větší část proudu nabíječe potom teče do spotřebičů.

• dioda D topí jen při vybíjení (několik minut), diodu lze tedy chladit přišroubováním k masivnímu chladiči třeba i bez žeber, který slouží jako akumulátor vznikajícího tepla

Nevýhody 4. varianty:

• komplikovanější zapojení

• výkonový rezistor při nabíjení topí

Dimenzování rezistoru R
Hodnotu rezistoru vypočteme z požadovaného nabíjecího proudu akumulátoru I_A:

kde UBATmin je nejmenší napětí akumulátoru při jeho úplném vybití, které by nemělo klesnout pod hodnoty viz. Tab.3.
Ztrátový výkon na tomto rezistoru:

Jmenovitá hodnota výkonu rezistoru by měla být volena alespoň o polovinu vyšší, protože rezistory zatížené jmenovitým výkonem mají velmi vysokou teplotu přesahující 200°C. Existují výkonové rezistory o výkonech 10, 25, 50, 100W v hliníkových pouzdrech, které lze přišroubovat k chladiči.

Zálohované napájení 5. varianta
Změna spočívá v přidání podpěťového relé, které hlídá napětí akumulátoru. Tuto funkci zajišťuje hlídací relé podpětí např. DUA 52C 724 od firmy Tele Automation Components s nastavitelnou rozhodovací úrovní od 8V do 28V DC. Pokud nepožadujeme omezení nabíjecího proudu (viz. výhody 4. varianty), lze odpor a diodu vynechat a připojit pojistku přímo do uzlu zdroj - zátěž.

Obr.5: Zapojení varianty číslo 5

Výhody 5. varianty:

• podpěťové relé automaticky odpojí akumulátor od zátěže při jejím vybití pod nastavenou úroveň napětí. Tato úroveň závisí na velikosti maximálního odebíraného proudu z akumulátoru a na jeho teplotě. Nejlépe je řídit se vybíjecí charakteristikou konkrétního akumulátoru. Orientační hodnoty pro teplotu 25°C udává Tab. 3.

• získáváme plnohodnotné zálohované napájení se signalizací stavu sítě a ochranou akumulátoru jak proti přebíjení tak i proti hlubokému vybití

Nevýhody 5. varianty:

• komplikovanější a nákladnější konstrukce

Tab. 3: Napětí baterie U_BATmin při odpojení

Závěr:
Záměrem firmy AXIMA bylo dát na trh relativně levný nabíjecí zdroj umožňující konstrukci jednoduchých zálohovaných napájení. V případě potřeby lze zapojení rozšířit a získat tak další funkce a lépe chránit akumulátor. Tento článek byl věnován popisu výhod a nevýhod jednotlivých zapojení a měl pomoci při správném dimenzování a nastavení nabíjecího zdroje.