В процессе работы двигателя аккумуляторная батарея () независимо от типа (обслуживаемый или необслуживаемый аккумулятор) подзаряжается от автомобильного генератора. Для контроля заряда аккумулятора на генераторе установлено устройство под названием реле-регулятор.
Сама эксплуатация автомобиля зимой зачастую предполагает короткие поездки, включение большого количества энергоемкого оборудования (подогревы зеркал, стекол, сидений и т.д.) Нагрузка на аккумулятор значительно возрастает. При этом зарядиться от генератора и компенсировать потери, затраченные на запуски, батарея попросту не успевает. С учетом вышесказанного оптимально полностью заряжать аккумулятор зарядным устройством до 100% не реже одного раза в год до наступления холодов.
Добавим, что в случае проблем с запуском двигателя по причине наличия неисправностей мотора (проблемы с топливной аппаратурой, и т.п.), владельцу приходится намного дольше и интенсивнее крутить стартер. В таких случаях заряжать аккумулятор внешним зарядным устройством потребуется намного чаще.
Зарядка аккумулятора зарядным устройством
Чтобы знать, как зарядить необслуживаемый аккумулятор автомобиля зарядным устройством, а также осуществить зарядку батареи обслуживаемого типа, необходимо придерживаться определенных правил. Зарядное устройство (ЗУ, внешнее зарядное устройство ВЗУ, пускозарядное устройство) фактически является конденсаторным зарядным устройством.
Автомобильный аккумулятор — источник постоянного тока. Во время подключения АКБ нужно обязательно соблюдать полярность. Для этого места подключения плюсовой и минусовой клеммы обозначены плюсовым и минусовым знаком («+» и «–») на аккумуляторе. Выводы на ЗУ имеют аналогичную маркировку, что позволяет правильно подключить аккумулятор к зарядному устройству. Другими словами, «плюс» аккумулятора соединяется с «+» клеммой зарядного устройства, «минус» на АКБ подключается к выходу «-» ЗУ.
Обратите внимание, случайная смена полярности приведет к тому, что вместо заряда будет происходить разряд батареи. Также необходимо учитывать, что глубокий разряд (аккумулятор полностью посажен) может в отдельных случаях вывести аккумуляторную батарею из строя, в результате чего может не получиться зарядить такой АКБ при помощи зарядного устройства.
Также необходимо учитывать, что перед подключением к зарядному устройству аккумулятор нужно снять с автомобиля и тщательно очистить от возможных загрязнений. Потеки кислоты хорошо удаляются влажной ветошью, которая смачивается в растворе с содой. Для приготовления раствора достаточно 15-20 грамм соды на 150-200 грамм воды. На наличие кислоты укажет вспенивание указанного раствора при нанесении на корпус АКБ.
Что касается обслуживаемых аккумуляторов, пробки на «банках» для заливки кислоты следует выкрутить. Дело в том, что во время зарядки в аккумуляторе образуются газы, которым необходимо обеспечить свободный выход. Также следует произвести проверку уровня электролита. При снижении уровня ниже нормы производится долив дистиллированной воды.
Каким напряжением заряжать аккумулятор автомобиля
Начнем с того, что зарядка аккумулятора предполагает подачу на него такого тока, которого не хватает батарее для полного заряда. На основе данного утверждения можно ответить на вопросы, каким током заряжать аккумулятор автомобиля,а также сколько нужно заряжать аккумулятор автомобиля зарядным устройством.
В том случае, если аккумулятор с емкостью 50 Ампер-часов заряжен на 50%, тогда на начальном этапе следует установить зарядный ток 25 А, после чего этот ток нужно динамично уменьшать. К моменту полного заряда аккумулятора подача тока должна прекратиться. Такой принцип работы лежит в основе автоматических зарядных устройств, при помощи которых автомобильный аккумулятор заряжается в среднем за 4-6 часов. Единственным минусом таких ЗУ является их высокая стоимость.
Также стоит выделить зарядные устройства полуавтоматического типа и решения, которые предполагают полностью ручную настройку. Последние наиболее доступны по цене и широко представлены в продаже. С учетом того, что аккумулятор обычно разряжен на 50%, можно высчитать, сколько заряжать необслуживаемый аккумулятор автомобиля, а также понять, сколько нужно заряжать аккумулятор автомобиля обслуживаемого типа.
Основой для расчета времени заряда АКБ является емкость аккумулятора. Зная данный параметр, время заряда просчитывается достаточно просто. Если аккумулятор имеет емкость 50 А ч, тогда для полной зарядки требуется подать на такую батарею ток не более 30 А ч. На зарядном устройстве выставляется 3А, что потребует десять часов для полной зарядки аккумулятора зарядным устройством.
Чтобы на 100% быть уверенным в том, что аккумулятор полностью заряжен, через 10 часов можно выставить на ЗУ ток 0.5 А, после чего продолжить заряжать батарею еще 5-10 часов. Такой способ заряда не представляет опасности для автомобильных аккумуляторов, которые имеют большую емкость. Минусом можно считать необходимость заряжать АКБ около суток.
Для экономии времени и быстрой зарядки аккумулятора можно выставить на ЗУ 8 А, после чего производить заряд около 3 часов. По истечении данного срока ток заряда уменьшается до 6 А и аккумулятор заряжается этим током еще 1 час. В итоге, потребуется 4 часа для зарядки. Отметим, что данный режим зарядки не является оптимальным, так как АКБ желательно заряжать небольшим током до 3 А.
Зарядка большим током может привести к перезарядке и избыточному нагреву аккумулятора, в результате чего значительно сокращается его ресурс. Также отметим, что использование способов заряда аккумулятора, которые направлены на сведение к минимуму негативного процесса сульфатации пластин, на практике не имеют заметных положительных результатов.
Правильная эксплуатация аккумулятора в зависимости от его типа (обслуживаемый и необслуживаемый), исключение глубокого разряда и своевременная зарядка при помощи ЗУ позволяют кислотному аккумулятору исправно работать от 3-7 лет.
Как оценить состояние и заряд автомобильного аккумулятора
Правильная зарядка и ряд условий, которые необходимо соблюдать в процессе эксплуатации автомобильного аккумулятора, способны обеспечить нормальный запуск двигателя даже в условиях крайне низких температур. Главным показателем состояния АКБ является степень его заряда. Далее мы ответим, как узнать, заряжен ли аккумулятор автомобиля.
Начнем с того, что некоторые модели батарей имеют специальный цветовой индикатор на самой АКБ, который указывает на то, заряжен или разряжен аккумулятор. Стоит отметить, что указанный индикатор является весьма приблизительным показателем, по которому можно с определенной долей вероятности определить только необходимость дозарядки. Другими словами, индикатор заряда может показывать то, что аккумулятор заряжен, но при этом пускового тока при отрицательных температурах оказывается недостаточно.
Еще одним способом определения степени заряда аккумулятора является замер напряжения на выводах АКБ. Данный способ также позволяет весьма приблизительно произвести оценку состояния и степени заряда. Для замера аккумулятор потребуется снять с автомобиля или отключить от ЗУ, после чего нужно дополнительно выждать около 7 часов. Температура наружного воздуха не имеет принципиального значения.
- 12.8 В-100% заряда;
- 12.6 В-75% заряда;
- 12.2 В-50% заряда;
- 12.0 В-25% заряда;
- Падение напряжение менее 11.8 В указывает на полный разряд аккумулятора.
Также можно осуществить проверку степени заряда аккумулятора без ожидания. Для этого напряжение на выводах АКБ нужно мерить нагрузкой при помощи так называемых нагрузочных вилок. Такой способ является более точным и достоверным. Указанная вилка является вольтметром, параллельно выводам вольтметра подключается сопротивление. Величина сопротивления составляет 0.018-0.020 Ом для АКБ с показателем емкости от 40-60 Ампер-часов.
Вилку нужно подключить к соответствующим выходам на батарее, после чего через 6-8 сек. зафиксировать показания, которые отображает вольтметр. Далее можно оценить степень заряда батареи по напряжению с использованием нагрузочной вилки:
- 10.5 В — 100% заряда;
- 9.9 В — 75% заряда;
- 9.3 В — 50% заряда;
- 8.7 В — 25% заряда;
- Показатель менее 8.18 В — полный разряд АКБ;
Также можно провести измерения при отсутствии нагрузочной вилки без снятия аккумулятора с авто. Батарея должна быть подключена к бортовой сети транспортного средства. Затем потребуется дать нагрузку на аккумулятор посредством включения габаритов и дальнего света головной оптики (для автомобилей со штатными галогеновыми лампами). Лампочки фар имеют мощность 50 Вт, нагрузка получается около 10 А. Напряжение нормально заряженного аккумулятора в этом случае должно составлять около 11.2 В.
Следующим способом, который позволяет проверить заряд АКБ, является замер напряжения на выводах батареи в тот момент, когда производится запуск ДВС. Данные измерения можно считать достоверными только при условии нормально работающего стартера.
В момент пуска показатель напряжения не должен оказываться ниже отметки в 9.5 В. Падение напряжения ниже указанной отметки означает, что аккумулятор сильно разрядился. В этом случае требуется его зарядка при помощи ЗУ. Данный способ проверки также позволяет выявить неполадки стартера. На автомобиль устанавливается заведомо исправный и на 100% заряженный аккумулятор, после чего производится замер. Если напряжение на клеммах АКБ в момент запуска упадет ниже 9.5 В, тогда очевидны проблемы со стартером.
Напоследок добавим, что замеры разными способами предполагают фиксацию колебаний в доли вольта. По этой причине к вольтметру выдвигаются повышенные требования. Крайне важна точность устройства, так как малейшая погрешность даже в один или два процента приведет к ошибке в измерении степени заряда АКБ на 10 -20 %. Для замеров рекомендуется использовать приборы с минимальной погрешностью.
Как зарядить полностью разряженный аккумулятор автомобиля
Частой причиной глубокого разряда АКБ является банальная невнимательность. Зачастую достаточно оставить автомобиль с включенными габаритами или фарами, салонным освещением или магнитолой на 6-12 часов, после чего аккумулятор оказывается полностью разряженным. По этой причине многих автовладельцев интересует вопрос, можно ли восстановить полностью разряженный аккумулятор.
Как известно, полный разряд аккумулятора сильно влияет на срок службы батареи, особенно если говорить о необслуживаемом аккумуляторе. Производители автомобильных аккумуляторов указывают, что даже одного полного разряда бывает достаточно для выхода АКБ из строя. На практике относительно новые аккумуляторы удается восстановить как минимум 1 или 2 раза после их полного разряда без существенной потери эксплуатационных свойств.
Для начала необходимо определить насколько сильно разрядилась батарея, воспользовавшись одним из указанных выше способов. Также можно сразу поставить аккумулятор на зарядку. Далее полностью разряженный аккумулятор необходимо заряжать в том режиме, который рекомендован производителем АКБ. Стандартом является подача величины тока заряда на отметке 0.1 от общей емкости батареи.
Полностью посаженный аккумулятор заряжается таким током не менее 14-16 часов. Для примера рассмотрим зарядку аккумулятора с емкостью 60 Ампер-часов. В этом случае ток заряда должен быть в среднем от 3 А (медленнее) до 6 А (быстрее). Полностью разряженную автомобильную аккумуляторную батарею правильно заряжать самым малым током, причем как можно дольше (около суток).
Когда напряжение на клеммах аккумулятора больше не увеличивается на протяжении 60 мин. (при условии подачи одинакового зарядного тока), тогда аккумулятор полностью заряжен. Необслуживаемые аккумуляторы при полной зарядке предполагают величину напряжения на отметке 16.2±0.1 В. Следует учитывать, что такая величина напряжения является стандартом, но при этом имеется зависимость от показателя емкости АКБ, тока заряда, плотности электролита в аккумуляторе и т.д. Для замера подойдет любой вольтметр независимо от погрешности прибора, так как необходимо замерить постоянное, а не точное напряжение.
Чем зарядить аккумулятор автомобиля, если нет зарядного устройства
Самым простым способом зарядки АКБ является запуск автомобиля методом «прикуривания» от другого авто, после чего нужно двигаться на автомобиле около 20-30 минут. Для эффективности зарядки от генератора предполагается либо динамичная езда на повышенных передачах, либо движение на «низах».
Главным условием является поддержание оборотов коленвала на отметке около 2900-3200 об/мин. На указанных оборотах генератор обеспечит необходимый ток, который позволит подзарядить батарею. Отметим, что данный способ подходит только при условии частичного, а не глубокого разряда АКБ. Также после поездки все равно потребуется реализовать полный заряд аккумулятора.
Довольно часто автолюбители интересуются, чем еще можно зарядить автомобильный аккумулятор, кроме ЗУ. Наиболее часто в качестве замены предполагается использовать зарядные устройства, которыми заряжают мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки и прочие гаджеты. Сразу отметим, что данные решения не позволяют зарядить автомобильный аккумулятор без ряда манипуляций.
Дело в том, что основным условием для подачи тока от зарядного устройства к АКБ является то, что на выходе ЗУ должно присутствовать напряжение, которое будет больше напряжения на выходах аккумуляторной батареи. Другими словами, при напряжении выходов аккумулятора 12 В напряжение выхода зарядного устройства должно составлять 14 В. Что касается различных устройств, то напряжение их батарей зачастую не превышает 7.0 В. Теперь представим, что под рукой находится зарядное устройство от гаджета, которое имеет необходимое напряжение 12 В. Проблема все равно будет присутствовать, так как сопротивление аккумуляторной батареи автомобиля измеряется в целых Омах.
Получается, подключение зарядки от мобильного устройства к выходам аккумулятора фактически будет представлять собой короткое замыкание выводов блока питания зарядки. В блоке произойдет срабатывание защиты, в результате чего такое ЗУ не подаст ток на аккумулятор. При условии отсутствия защиты высока вероятность выхода из строя блока питания от значительной нагрузки.
Стоит добавить, что аккумулятор автомобиля также не следует заряжать от различных блоков питания, которые имеют подходящее напряжения на выходе, но в них конструктивно отсутствует возможность отрегулировать величину подаваемого тока. Только специальное ЗУ для АКБ автомобиля представляет собой такое устройство, которое имеет на своем выходе нужную величину напряжения и тока для зарядки батареи. Параллельно с этим имеется возможность управления постоянной величиной тока.
Самодельное ЗУ для аккумулятора автомобиля
Теперь перейдем от теории к практике. Начнем с того, что сделать зарядное устройство для аккумуляторной батареи из блока питания от стороннего девайса можно своими руками.
Обратите внимание, данные действия представляют определенную опасность и выполняются исключительно на свой страх и риск. Администрация ресурса не несет никакой ответственности, информация представлена исключительно в ознакомительных целях!
Существуют несколько способов изготовления ЗУ. Давайте поверхностно рассмотрим наиболее распространенные:
- Изготовление зарядного устройства от источника, который на своем выходе имеет напряжение около 13-14 В, а также способен обеспечить силу тока больше 1 Ампера. Для такой задачи подойдет блок питания ноутбука.
- Зарядка от обычной бытовой электрической розетки 220 Вольт. Для этого понадобится наличие полупроводникового диода и лампы накаливания, которые последовательно соединяются в цепь.
Следует учитывать, что использование подобных решений означает зарядку АКБ посредством источника тока. В результате требуется постоянный контроль времени и момента окончания заряда аккумулятора. Данный контроль осуществляется при помощи регулярных замеров напряжения на клеммах аккумулятора или подсчета того времени, на которое АКБ поставлена на зарядку.
Помните, перезаряд аккумулятора приводит к повышению температуры внутри батареи и активному выделению водорода и кислорода. Закипание электролита в «банках» АКБ вызывает образование взрывоопасной смеси. В случае возникновения электрической искры или появления других источников для возгорания аккумуляторная батарея может взорваться. Подобный взрыв может привести к пожарам, ожогам и травмам!
Теперь заострим внимание на наиболее распространенном способе самостоятельного изготовления ЗУ для аккумулятора автомобиля. Речь идет о зарядке от БП ноутбука. Для реализации задачи необходимы определенные знания, навыки и опыт в области сборки простых электрических цепей. В противном случае оптимальным решением будет обратиться к специалистам, приобрести готовое зарядное устройство или заменить аккумулятор на новый.
Сама схема изготовления ЗУ достаточно проста. К БП подключается балластная лампа, а также выходы самодельного ЗУ подключаются к выходам АКБ. В качестве «балласта» потребуется лампа с небольшим номиналом.
Если попытаться осуществить подключение БП к АКБ без использования в электроцепи балластной лампочки, тогда можно быстро вывести из строя как сам блок питания, так и аккумуляторную батарею.
Следует пошагово подбирать нужную лампу, начиная с минимальных номиналов. Для начала можно подключить маломощную лампочку повторителя поворота, потом более мощную лампу поворота и т.д. Каждую лампу следует отдельно проверять посредством подключения в цепь. Если лампочка горит, тогда можно переходить к подключению аналога, большего по мощности. Данный способ поможет не вывести из строя блок питания. Напоследок добавим, что о заряде АКБ от такого самодельного устройства будет свидетельствовать горение балластной лампы. Другими словами, если аккумулятор заряжается, тогда лампа будет гореть, пусть даже и очень тускло.
Новый аккумулятор должен быть полностью заряжен и работоспособен, то есть предполагает немедленную установку на автомобиль для начала дальнейшей эксплуатации. Перед приобретением необходимо произвести проверку АКБ по ряду параметров:
- целостность корпуса;
- замер напряжения на выходах;
- проверка плотности электролита;
- дата изготовления АКБ;
На начальном этапе необходимо удалить защитную пленку и осмотреть корпус на предмет трещин, потеков и других дефектов. В случае обнаружения малейших отклонений от нормы аккумулятор рекомендуется заменить.
Затем производится замер напряжения на клеммах нового аккумулятора. Измерить напряжение можно вольтметром, при этом точность устройства не имеет значения. Напряжение не должно быть ниже отметки в 12 Вольт. Показатель напряжения в 10.8 Вольт указывает на то, что аккумулятор полностью разряжен. Такой показатель является недопустимым для новой АКБ.
Плотность электролита измеряют при помощи специальной вилки. Также параметр плотность косвенно указывает на уровень заряда батареи. Завершающим этапом проверки становится определение даты выпуска аккумулятора. Аккумуляторы, которые были выпущены 6 мес. назад и более от дня планируемой покупки приобретать не следует. Дело в том, что готовый к использованию АКБ имеет склонность к саморазряду. По этой причине для длительного хранения батарею необходимо заранее подготовить, но в таком случае аккумулятор уже нельзя считать новым готовым изделием.
Получается, ответ на вопрос, нужно ли заряжать новый аккумулятор для автомобиля, будет отрицательным. Новый аккумулятор заряжать нет никакой необходимости. Если планируемый к покупке аккумулятор разряжен, тогда он может быть попросту старым, бывшим в употреблении или имеет место производственный брак.
Другие вопросы касательно зарядки автомобильных аккумуляторов
Очень часто в процессе эксплуатации владельцы пытаются заряжать аккумулятор без снятия батареи с автомобиля. Другими словами, зарядка АКБ производится без снятия клемм прямо на машине, то есть аккумулятор на зарядке остается подключенным к сети транспортного средства.
Обращаем ваше внимание на то, что при зарядке аккумулятора показатель напряжение на выводах батареи может быть на отметке около 16 В. Данный показатель напряжения сильно зависит от того, какой тип ЗУ используется при зарядке. Добавим, что даже выключение зажигания и изъятие ключа из замка не означает, что все устройства в автомобиле обесточены. Охранный комплекс или сигнализация, головное мультимедийное устройство, внутрисалонное освещение и другие решения могут оставаться включенными или находиться в режиме ожидания.
Зарядка аккумулятора без снятия и отключения клемм может привести к тому, что на включенные устройства подается слишком высокое напряжение питания. Результатом обычно является поломка таких устройств. Если в вашем автомобиле имеются приборы, которые не могут быть полностью обесточены после выключения зажигания, тогда заряжать аккумулятор без отсоединения клемм запрещено. Перед зарядкой в этом случае необходимо произвести обязательное отключение «минусовой» клеммы.
Также не следует начинать отключение аккумулятора с «плюсовой» клеммы. Клемма «минус» на аккумуляторе соединяется с электросетью автомобиля посредством прямого соединения с кузовом. Попытка отключения «плюса» первым может иметь печальные последствия. Непреднамеренный контакт гаечного ключа или другого инструмента с металлическими элементами кузова/двигателя автомобиля приведет к короткому замыканию. Данная ситуация достаточно распространена в тех случаях, когда при помощи ключей производится откручивание плюсовой клеммы с вывода АКБ при не снятом минусе.
Что касается зарядки аккумулятора на холоде или в помещении зимой без отопления, то АКБ можно смело подзаряжать в таких условиях. Во время зарядки батарея нагревается, температура электролита в «банках» будет положительной. Параллельно с этим заносить аккумулятор в тепло для зарядки требуется в том случае, если внутри аккумулятора замерз электролит и АКБ была полностью посажена. Заряжать такой аккумулятор нужно строго после того, когда произойдет оттаивание замерзшего электролита.
Самое удивительное то, что схема индикатора уровня заряда аккумуляторной батареи не содержит ни транзисторов, ни микросхем, ни стабилитронов. Только светодиоды и резисторы, включенные таким образом, что обеспечивается индикация уровня подведенного напряжения.
Схема индикатора
Работа устройства основывается на начальном напряжении включения светодиода. Любой светодиод - это полупроводниковый прибор, который имеет граничную точку напряжения, только превысив которую он начинает работать (светить). В отличии от лампы накаливания, которая имеет почти линейные вольтамперные характеристики, светодиоду очень близка характеристика стабилитрона, с резкой крутизной тока при увеличении напряжения.Если включить светодиоды в цепь последовательно с резисторами, то каждый светодиод начнет включаться только после того, как напряжение превысит сумму светодиодов в цепи для каждого отрезка цепи в отдельности.
Порог напряжения открытия или начала загорания светодиода может колебаться от 1,8 В до 2,6 В. Все зависит от конкретной марки.
В итоге, каждый светодиод загорается только после того, как загорелся предыдущий.
Схему я собрал на универсальной монтажной плате, спаяв вывода элементов между собой. Для лучшего восприятия я взял светодиоды разных цветов.
Такой индикатор можно сделать не только на шесть светодиодов, а к примеру, на четыре.
Использовать индикатор можно не только для аккумулятора, но для создания индикации уровня на музыкальных колонках. Подключив устройство к выходу усилителя мощности, параллельно колонке. Тем самым можно отслеживать критические уровни для акустической системы.
Возможно найти и другие применения этой, по истине, очень простой схемы.
Успешный пуск автомобильного двигателя во многом зависит от состояния заряда аккумулятора. Регулярно проверять напряжение на клеммах с помощью мультиметра – неудобно. Гораздо практичнее воспользоваться цифровым или аналоговым индикатором, расположенным рядом с приборной панелью. Простейший индикатор заряда аккумулятора можно сделать своими руками, в котором пять светодиодов помогают отслеживать постепенный разряд либо заряд батареи.
Принципиальная схема
Рассматриваемая принципиальная схема индикатора уровня заряда представляет собой простейшее устройство, отображающее уровень заряда аккумулятора (АКБ) на 12 вольт. Её ключевым элементом является микросхема LM339, в корпусе которой собрано 4 однотипных операционных усилителя (компаратора). Общий вид LM339 и назначение выводов показан на рисунке. 
Прямые и инверсные входы компараторов подключены через резистивные делители. В качестве нагрузки используются индикаторные светодиоды 5 мм.
Диод VD1 служит защитой микросхемы от случайной смены полярности. Стабилитрон VD2 задаёт опорное напряжение, которое является эталоном для будущих измерений. Резисторы R1-R4 ограничивают ток через светодиоды.
Принцип работы
Работает схема индикатора заряда аккумулятора на светодиодах следующим образом. Застабилизированное с помощью резистора R7 и стабилитрона VD2 напряжение 6,2 вольт поступает на резистивный делитель, собранный из R8-R12. Как видно из схемы между каждой парой этих резисторов формируются опорные напряжения разного уровня, которые поступают на прямые входы компараторов. В свою очередь, инверсные входы объединены между собой и через резисторы R5 и R6 подключены к клеммам аккумуляторной батарее (АКБ).
В процессе заряда (разряда) аккумулятора постепенно изменяется напряжение на инверсных входах, что приводит к поочередному переключению компараторов. Рассмотрим работу операционного усилителя OP1, который отвечает за индикацию максимального уровня заряда АКБ. Зададим условие, если заряженный аккумулятор имеет напряжение 13,5 В, то последний светодиод начинает гореть. Пороговое напряжение на его прямом входе, при котором засветится этот светодиод, рассчитаем по формуле:
U OP1+ = U СТ VD2 – U R8 ,
U СТ VD2 =U R8 + U R9 + U R10 + U R11 + U R12 = I*(R8+R9+R10+R11+R12)
I= U СТ VD2 /(R8+R9+R10+R11+R12) = 6,2/(5100+1000+1000+1000+10000) = 0,34 мА,
U R8 = I*R8=0,34 мА*5,1 кОм=1,7 В
U OP1+ = 6,2-1,7 = 4,5 В
Это означает, что при достижении на инверсном входе потенциала величиной более 4,5 вольт компаратор OP1 переключится и на его выходе появится низкий уровень напряжения, а светодиод засветится. По указанным формулам можно рассчитать потенциал на прямых входах каждого операционного усилителя. Потенциал на инверсных входах находят из равенства: U OP1- = I*R5 = U БАТ – I*R6.
Печатная плата и детали сборки
Печатная плата изготавливается из одностороннего фольгированного текстолита размером 40 на 37 мм, которую можно скачать . Она предназначена для монтажа DIP элементов следующего типа:
- резисторы МЛТ-0,125 Вт с точностью не менее 5% (ряд Е24)
R1, R2, R3, R4, R7, R9, R10, R11– 1 кОм,
R5, R8 – 5,1 кОм,
R6, R12 – 10 кОм; - диод VD1 любой маломощный с обратным напряжением не ниже 30 В, например, 1N4148;
- стабилитрон VD2 маломощный с напряжением стабилизации 6,2 В. Например, КС162А, BZX55C6V2;
- светодиоды LED1-LED5 – индикаторные типа
При разряженном аккумуляторе завести автомобиль довольно проблематично. Чтобы не было такого неприятного «сюрприза», достаточно просто время от времени пользоваться вольтметром. Однако не все автомобилисты и не всегда это делают, ведь гораздо удобнее иметь некое устройство, показывающее, на сколько еще хватит зарядки аккумулятора.
Какие бывают индикаторы
Аккумуляторная батарея (или АКБ) представляет собой шесть связанных между собой элементов, напряжение в каждом в норме должно составлять около 2,15 вольт, т. е. общее напряжение аккумулятора подходит к 13,5 вольтам. Если заряд падает ниже критических значений (примерно 9,5 вольт), это может привести к глубокой разрядке аккумулятора и, как следствие, полному выходу его из строя.
Современные технологии «идут навстречу» автомобилистам и максимально облегчают им жизнь. Например, во многих автомобилях уже имеются бортовые компьютеры, которые также следят и за уровнем заряженности аккумулятора.
Однако, пока такая опция доступна далеко не всем, приходится использовать другие виды индикаторов этого важного показателя. Так, можно встретить отдельные кристаллические дисплеи на приборной панели, бывают индикаторы-гигрометры, также можно (при наличии соответствующих навыков) изготовить индикатор заряда аккумулятора самостоятельно. Многие сигнальные устройства такого типа необходимо подключать в бортовую сеть автомобиля, чтобы они могли отслеживать уровень зарядки АКБ.
Встроенный индикатор заряда
Самый часто встречающийся вариант индикатора на необслуживаемых аккумуляторных батареях – гидрометр. Он состоит из глазка, световода, ножки и поплавка (поэтому его называют поплавковым). Ножка со световодом находятся внутри аккумулятора, на ножке закреплен поплавок, с помощью которого определяется уровень электролита в батарее. На корпусе аккумулятора находится глазок, который показывает три основных состояния АКБ:
- зеленый шарик-поплавок просвечивает в смотровой глазок, это значит, что батарея заряжена больше, чем наполовину;
- глазок остается черным (это просвечивает индикационная трубка), это сигнал о том, что поплавок полностью погрузился в электролитическую жидкость, следовательно, плотность ее понижена, а аккумулятор требуется заряжать;
Дополнительная информация. В некоторых моделях гидрометров имеется поплавок красного цвета, который видно в «окошке» при понижении заряда и плотности электролита.
- если в «глазке» видна только поверхность жидкости внутри аккумулятора, значит, он «хочет пить» – уровень электролита критический, срочно необходимо долить дистиллированной воды (а сделать это довольно сложно, поскольку такие аккумуляторы необслуживаемые).
Обратите внимание! Хотя встроенный индикатор заряда батареи такого типа и позволяет мгновенно определить имеющуюся проблему (или ее отсутствие), но, судя по некоторым отзывам пользователей, показания таких приборов довольно часто бывают ложными, а сами они быстро ломаются.
Как правило, это объясняется следующими причинами:
- данные поступают только из одного элемента батареи из шести, а ведь уровень жидкости в них может значительно разниться;
- детали индикатора, выполненные из пластика, не выдерживают температурного режима работы аккумулятора, поэтому данные поступают неверные;
- индикаторы-поплавки никак не определяют температуру электролитической жидкости, а ведь от нее зависит и плотность, поэтому электролит пониженной температуры покажет нормальный уровень плотности, в то время как она тоже будет низкой.
Заводские индикаторы в виде панелей
В специализированных магазинах можно найти множество разных контролирующих устройств для аккумулятора, дизайн и функции каждый автовладелец может подобрать под себя. Разнятся индикаторы и по способу подключения: к прикуривателю или в бортовую сеть машины. Однако, основная задача у всех устройств одна – определить, насколько заряжен АКБ, и просигнализировать об этом.
Существуют индикаторы, которые надо собрать самостоятельно, как конструктор. Как пример – DC-12 В. Он дает возможность контролировать заряд батареи, а также работу регулирующего реле.
Такое небольшое контрольное устройство работает в диапазоне от 2,5 до 18 вольт, электричества потребляет совсем мало – до 20 миллиампер, размеры индикаторного окошка – 4,3 на 2 см.
Если ставится второй аккумулятор в автомобиль, можно воспользоваться индикатором от ТМС, – это небольшая панель из промышленного алюминия на светодиодах со встроенным вольтметром и переключателем между смежными АКБ.
Из дорогих моделей (причем необоснованно дорогих, по цене нового аккумулятора) можно выделить контроллеры напряжения американской фирмы «Faria Euro Black Style». Цвет корпуса, как правило, черный, диаметр индикационного окошка – 5,3 см, экран подсвечивается белым цветом. Для питания необходимо 12 вольт.
Как собрать индикатор заряда самостоятельно
Если автовладелец дружит с паяльником, он может собрать анализатор своими руками, схем сборки можно найти множество. С помощью одной, самой простой, можно собрать индикатор заряда, напоминающий вышеописанный DC-12 В. Действует он по тем же принципам: включается в бортовую сеть и определяет напряжение АКБ в пределах 6-14 вольт.
Для сборки устройства будут нужны транзисторы, резисторы, стабилитроны, печатная плата и по одному красному, синему и зеленому светодиоду. После сборки, согласно схеме, плата вставляется на приборную панель, а концы светодиодов проводятся в удобное для обзора место. При этом полностью заряженный аккумулятор будет индицироваться зеленым цветом, синий – при нормальном заряде (от 11 до 13 вольт), а если батарея близка к разрядке, загорится красный светодиод.
Неприятно, когда автомобиль не может завестись просто от того, что аккумулятор разрядился в самый неподходящий момент. Индикатор напряжения, купленный в магазине или спаянный самостоятельно, поможет избежать неприятных «сюрпризов» и заранее предупредит о том, что АКБ требует подзарядки.
Видео
Долгое время создание систем контроля заряда аккумуляторов, точно так же как и разработка военных радаров и сверхзвуковых самолетов, представляла собой сложную технологию, недоступную для рядовых инженеров, у которых не было в распоряжении специализированного оборудования или существенного бюджета. Однако сейчас все изменилось.
Контроль заряда аккумулятора становится одной из важнейших задач при построении устройств с батарейным питанием. Это касается как мобильной электроники, так и IoT-приложений. При этом качество и точность математической модели заряда-разряда напрямую определяет эффективность использования аккумулятора. Создание точной математической модели для конкретного аккумулятора оказывается очень трудоемким и дорогим процессом. Фактически, только самые крупные производители обладают ресурсами для разработки таких моделей.
Отсутствие доступа к точным моделям аккумуляторов становится огромным препятствием для распространения портативных устройств. В этой статье рассказывается о революционном подходе, позволяющем решать данную проблему, и создавать эффективные и недорогие системы контроля уровня заряда аккумуляторов.
Контроль уровня заряда аккумулятора для избранных
Генерация энергии в аккумуляторе представляет собой не что иное, как миниатюрный и контролируемый взрыв. Объем энергии, запасенной в батарее, зависит от емкости и температуры. По этой причине при построении модели очень важно учитывать влияние параметров окружающей среды. Как только модель аккумулятора получена, ее загружают в специализированную микросхему. Использование точной модели гарантирует предсказуемость, а также безопасность заряда и разряда аккумулятора.
Рис. 1. Для создания эффективной математической модели, точно предсказывающей уровень заряда аккумулятора и обеспечивающей минимальную погрешность, требуется много времени и средств
Поставщики микросхем традиционно ориентированы на большие объемы производства, так как для разработки математической модели аккумулятора требуется несколько недель кропотливой исследовательской работы в лабораторных условиях. Только в результате этой трудоемкой, индивидуальной работы удается получить модель, гарантирующую эффективное использование аккумуляторов, минимальную погрешность измерения состояния заряда (state-of-charge, SOC) и точное распознавание приближения момента полного разряда (рис. 1).
Контроль уровня заряда аккумулятора для многих
Изучив характеристики множества литиевых батарей, вполне реально разработать универсальную модель, описывающую поведение различных аккумуляторов. Такую модель можно дополнительно настроить для конкретного приложения и «загрузить» в зарядную микросхему. Настройка моделей производится разработчиками самостоятельно с помощью специального ПО, которое обычно входит в состав отладочных наборов. Перед тем как приступить к настройке, разработчик должен ответить на три вопроса:
- Какова емкость аккумулятора (часто указывается на этикетке или в документации на аккумулятор)?
- Каково напряжение полного разряда (зависит от приложения)?
- Будет ли напряжение заряда выше 4,275 В (на ячейку, в случае нескольких последовательно включенных ячеек)?
При таком подходе исследовательская работа по созданию математической модели уже выполнена производителем, и разработчику конечного оборудования не нужно об этом заботиться. Предполагая, что бюджет системной ошибки при прогнозировании SOC составляет 3%, модель должна вписываться в 97% тестовых испытаний.
Кроме того, модель должна иметь возможность адаптации под конкретные особенности аккумулятора, чтобы еще больше повысить эффективность его использования. Один из таких механизмов адаптации гарантирует, что показания датчика заряда будут приближаться к 0%, когда напряжение аккумуляторной ячейки в действительности приближается к состоянию полного разряда.
Для многих пользователей недостаточно определить SOC или оставшуюся емкость (в мА·ч). В действительности им требуется знать, сколько времени гаджет проработает без подзарядки. С другой стороны, если просто поделить остаток заряда на текущую или усредненную нагрузку, то результат может быть не слишком точным. Используемая адаптивная модель должна обеспечивать точную оценку оставшегося времени работы на основе параметров батареи, температуры и нагрузки, а также с учетом уровня напряжения полного разряда.
Преимущества предлагаемого подхода очевидны. Крупные производители могут использовать исходную «базовую» модель в качестве отправной точки для того, чтобы начать разработку еще до выбора конкретного типа аккумуляторов. При этом переход к оптимизированной лабораторной модели потребуется только на завершающих стадиях разработки. Небольшие и мелкие производители будут без особых проблем использовать базовую модель в серийной продукции, зная, что она обеспечит совместимость и хорошие результаты с большинством типовых аккумуляторов.
Описываемый подход используется в датчиках заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated.
Контроль уровня заряда аккумулятора для всех
Для популяризации предложенной идеи и упрощения разработки систем с аккумуляторным питанием было решено создать отладочную плату, совместимую с платформой Arduino (рис. 2). MAXREFDES96 IoT Power Supply - отладочная плата в форм-факторе Arduino, с питанием от литий-ионного аккумулятора емкостью 660 мА·ч (рис. 3). На плате используется высокоинтегрированная микросхема зарядного устройства MAX77818 и микросхема контроля заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated. В схеме также присутствуют и другие ИС, которые обеспечивают дополнительные функции системы управления и системы питания.
Рис. 2. MAXREFDES96 предполагает обмен данными по I2C
Рис. 3. Отладочная плата MAXREFDES96 имеет совместимость с Arduino Uno R3 и обеспечивает функции управления и контроля заряда аккумулятора
Технологии Maxim Integrated повышают скорость и эффективность заряда, а также гарантируют точность измерения уровня SOC, что позволяет оптимально использовать аккумуляторы. Плата может питаться от разных источников: от USB-порта, от стека Arduino или от внешнего источника питания через собственный разъем, расположенный на плате. Кроме того, на плате размещен держатель литий-ионных аккумуляторов, который допускает использование аккумуляторов от разных производителей. Бесплатная прошивка поддерживает работу с платами Arduino и платами mbed.org.
При работе с MAXREFDES96 модель аккумулятора может быть непосредственно сохранена в энергонезависимой памяти MAX17201 или в памяти Arduino. В последнем случае модель должна загружаться при включении питания. При этом на плате Arduino может храниться несколько моделей, что позволяет использовать различные батареи.
Универсальные платы Arduino могут применяться в различных приложениях широким кругом пользователей, включая любителей и энтузиастов. Система, построенная на базе MAXREFDES96, оказывается чрезвычайно мобильной. Она может быть быстро развернута для сбора данных или для выполнения тестирования; а также применяться в качестве резервной системы управления при критических отказах оборудования. Во всех случаях MAXREFDES96 обеспечивает максимально эффективную работу с аккумуляторами, в том числе быстрый заряд и точный контроль SOC.
Заключение
В статье было объяснено, почему при измерении уровня разряда аккумулятора (SOC) важно использовать точную математическую модель. Также были рассмотрены проблемы, связанные с созданием лабораторных моделей, особенно в мелкосерийных проектах. Новая отладочная плата MAXREFDES96 Arduino, использующая алгоритм EZ ModelGauge m5 от Maxim Integrated, помогает упростить процесс разработки и снизить стоимость реализации систем с аккумуляторным питанием, что делает подобные системы доступными для всех.
