Napięcia i prądy w trybie ładowania CC–CV

Tylko akumulatory zasadowe można ładować niezmiennym prądem przez określony czas. Wszystkie szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe oraz wszystkie akumulatory litowe należy ładować w trybie CC–CV. Tak, ale błędne dobranie wartości napięcia i prądu może skutkować uszkodzeniem akumulatora!

Dziś najbardziej interesują nas akumulatory litowe, zarówno obecne na rynku od kilkudziesięciu lat litowo-jonowe (Li-Ion), jak też zdobywające teraz rynek, akumulatory fosfatowe (fosforanowe, LiFePO4).

W wielu reklamach podkreśla się, że akumulatory kwasowe (AGM i żelowe) można bardzo łatwo zastąpić nowocześniejszymi, dużo lepszymi akumulatorami LiFePO4 i że do ich ładowania można wykorzystywać posiadane „ładowarki kwasowe”.

Jest w tym ziarno prawdy, ale akumulatory LiFePO4 mają inne właściwości i łatwo o błąd, skutkujący uszkodzeniem, a nawet pożarem. Dlatego koniecznie trzeba rozumieć szczegóły i wiedzieć, czym się różnią.

Podstawowa zasada ładowania w trybie CC–CV jest dokładnie ta sama dla akumulatorów kwasowych i litowych, ale szczegóły zależą od rodzaju oraz od typu akumulatora.

Aby nie popełnić poważnego błędu, trzeba najpierw dobrze poznać i zrozumieć specyfikę szczelnych akumulatorów kwasowych, a dopiero potem przejść do litowych. Dlatego w tym artykule przedstawię liczne szczegóły dotyczące ładowania oraz wartości napięć i prądów różnych odmian akumulatorów kwasowych, bo ta wiedza będzie punktem wyjścia i punktem odniesienia do zrozumienia specyfiki akumulatorów litowych.

W poprzednim artykule tej serii przedstawiłem ogólne informacje o trzech głównych odmianach akumulatorów kwasowych: trakcyjnych, samochodowych i „buforowych”. Przedstawiłem, jak się okazało, bardzo prostą zasadę bezpiecznego ładowania CC–CV (CC/CV, CCCV). Podkreśliłem, jak poważny jest problem przeładowania.

Na rysunku 1 przypominam podstawową ideę ładowania w trybie CC–CV. Ładowarką CC–CV jest zasilacz stabilizowany o napięciu U_O, z ogranicznikiem prądu do wartości I_O.

Najpierw akumulator ładowany jest prądem o niezmiennej wartości I_O i właśnie to jest tryb czy faza CC (Constant Current). Wartość prądu I_O powinna być dobrana stosownie do parametrów akumulatora – z reguły zalecany prąd ładowania jest podany na obudowie akumulatora lub w karcie katalogowej. W tej fazie działa ogranicznik prądu w zasilaczu – ładowarce, więc napięcie ładowanego akumulatora jest mniejsze od U_O, ale z czasem rośnie aż do wartości U_O.

Gdy akumulator naładuje się na tyle, że napięcie na nim wzrośnie do wartości U_O, przestaje działać ogranicznik prądu, a rolę ogranicznika prądu przejmuje… akumulator. Zaczyna się ładowanie przy niezmiennym napięciu, czyli faza CV (Constant Voltage). Na zaciskach akumulatora cały czas panuje napięcie U_O, ładowarka jest wtedy najzwyklejszym zasilaczem o napięciu U_O, a prąd ładowania samoczynnie maleje, stosownie do stanu naładowania. Po długim czasie prąd zmniejszyłby się do maleńkiej wartości, setki razy mniejszej od wartości I_O i teoretycznie wtedy należałoby uznać akumulator za naładowany. W praktyce za naładowany tym sposobem uznajemy akumulator, w którym w trybie CV prąd zmniejszył się do wartości powiedzmy 0,01…0,1 I_O.

Teoretycznie sprawa jest prosta, ale w praktyce – niestety nie! Zwiastun problemu pokazany jest na fotografii 2. Mamy tu 12-woltowy szczelny akumulator kwasowy (SLA) typu AGM, o pojemności 17 amperogodzin. Po pierwsze podane są dwa napięcia, a raczej dwa oddzielne zakresy napięcia i podany jest maksymalny prąd ładowania 5,1 A, który jest dokładnie równy 0,3C (17 × 0,3 = 5,1).

Gdyby akumulator cały czas ładowany był prądem 0,3C, to pełne naładowanie powinien osiągnąć po 3,33 godzinach czyli po 3 godzinach i 20 minutach.

Ale tak nie jest! Należy podkreślić, że w miarę szybkie ładowanie następuje tylko w fazie CC oraz w początkowej fazie CV. A później ładowanie jest coraz powolniejsze. Teoretycznie na pełne naładowanie należałoby czekać kilkadziesiąt godzin, ale w pierwszym przybliżeniu można uznać, że na naładowanie „do pełna” akumulatora kwasowego w trybie CC–CV trzeba około 10 godzin. Nie 3 godziny „z kawałkiem”, tylko 10 godzin!

I to jest niemiłym zaskoczeniem dla wielu osób. Bo w wielu sytuacjach chcielibyśmy akumulator naładować jak najszybciej. Do tej kwestii wrócimy, a na razie jest sprawa dwóch zakresów napięcia.

Dopuszczalne napięcie ładowania Cycle use dotyczy pracy cyklicznej, czyli takiej, gdy akumulator jest w ciągu tych około 10 godzin ładowany, a potem w dłuższym lub krótszym czasie rozładowany. Przykładem jest pracujący cyklicznie akumulator od elektrycznego wózka widłowego czy inwalidzkiego.

Natomiast Standby use to praca buforowa, gdy akumulator jest stale podłączony do ładowarki i cały czas gotowy do pracy. Typowym przykładem jest UPS. Inny przykład to rezerwowe źródło zasilania domowego systemu alarmowego. Tutaj przez cały czas akumulator dołączony jest do ładowarki (zasilacza), której napięcie musi być niższe niż przy pracy cyklicznej. Jak widać na fotografii 2, napięcie przy pracy buforowej ma wynosić 13,5…13,8 V, a przy pracy cyklicznej końcowe napięcie ładowania może wynosić 14,4…15,0 V. Ponieważ akumulator 12-woltowy ma sześć cel, daje to w trybie buforowym 2,25…2,30 V/celę, natomiast w trybie cyklicznym 2,4…2,5 V/celę. Dlaczego tak jest?
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.