Устройство буферного заряда автомобильного аккумулятора на основе ИБП Back-UPS CS500 – модернизация режима и первые итоги эксплуатации

Казалось бы, что Ca-Ca аккумуляторная батарея (АКБ) емкостью 60 Ач легкового автомобиля Фольксваген Поло седан настолько разительно отличается от компьютерного аккумулятора типа AGM 7 Ач, что породнить их может только принцип электрохимического накопления, хранения и возврата электрической энергии. Но умозрительная связь оказалась намного прочнее, чем я предполагал. Мне удалось их практически породнить благодаря источнику бесперебойного питания (ИБП Back-UPS CS500), разработанному специалистами фирмы American Power Conversion (APC) в 1981 г. Данный продукт оказался настолько удачным и надежным, что получил широчайшее распространение в России, и поныне работает с компьютерами у миллионов пользователей.

Об использовании ИБП Back-UPS CS500 для подзаряда сравнительно большого автомобильного кислотного аккумулятора я рассказывал в моем предыдущем обзоре. Но затем описанный импульсный источник на стадии практического использования пришлось дополнить коммутатором, фото которого представлено на титульном рисунке. Мигающий светодиод иллюстрирует периодическое появление выходного напряжения 220 В, подаваемого на устройство буферного заряда. Свободная вторая розетка предназначена для подключения обогревателя аккумуляторной батареи. Устройство обогревателя, а также особенности режима буферного заряда и возможный алгоритм коммутации зарядного импульсного напряжения поясняются ниже.

Как оказалось, использованный из ИБП импульсный источник питания на микросхеме TNY255, т.е. первооснова устройства буферного заряда, способен продлевать жизнь в 2 раза (так свидетельствуют пользователи промышленных зарядных устройств, способных работать в буферном зарядном режиме) различным кислотным АКБ. Примечательно, что при этом отдаваемый устройством рабочий ток сразу после подключения разряженного на 5…20% АКБ соответствует примерно 1 А, а затем ток по мере заряда аккумулятора постепенно снижается и составляет всего лишь десятки и сотни мА, в долгосрочном периоде 20…10 мА, и даже меньше. Это зависит от номинального значения компенсируемого зарядным устройством тока утечки (саморазряда). Динамику изменения буферного зарядного тока аккумулятора в автомобиле Фольксваген Поло седан иллюстрирует рисунок, объединяющий три последовательных этапа. Измерительная установка была собрана в моторном отсеке автомобиля вблизи аккумулятора, при этом аккумулятор от бортовой сети автомобиля не отключался.
Напряжение на клеммах аккумулятора измерялось цифровым мультиметром. Устройство буферного заряда подключено к сетевому напряжению 220 В через последовательно соединенные китайский измеритель потребляемой мощности и коммутатор зарядных импульсов. Зеленый светодиод коммутатора индицирует наличие сетевого напряжения, жёлтый ─ активную фазу зарядного импульса. На период паузы в процессе буферного заряда желтый светодиод гаснет. Верхняя строка экрана ваттметра отображает текущее время, средняя ─ регистрируемую потребляемую мощность в ваттах, нижняя ─ стоимость расходуемой энергии, в данном случае не учитывается.
На этапе включения (левый снимок) текущее время составило 14 час. 43 мин., напряжение аккумулятора 12,7 В, потребляемая мощность 16,1 Вт, зарядный ток более 600 мА, примерно 1 А при дополнительном измерении мультитестером. На центральном снимке через 26 мин. (время 15:09) зарядный ток снизился до 250 мА, потребляемая мощность уменьшилась до 7,5 Вт, напряжение на аккумуляторе возросло до 13,39 В. На правом снимке через 1 час 33 мин. после момента включения потребляемая мощность снизилась до 1,2 Вт, зарядный ток до 30 мА, напряжение на аккумуляторе возросло до 13,52 В, достигнув почти предельно возможного напряжения 13,6 В. Следовательно, пополнение аккумулятора энергией за данный промежуток времени также почти максимально.
Зачем потребовались эти измерения? Чтобы оптимизировать длительность импульсов зарядного тока в устройстве буферного заряда для используемого импульсного источника питания, у которого выходное напряжение примерно 13,6 В. Под таким напряжением аккумулятор может находиться неограниченно долго, при этом он будет заряжен на 100% номинальной емкости. Как показали описанные измерения, длительность зарядных импульсов с примененным зарядным устройством должна составлять не менее 90…110 мин. Если мощность применяемого устройства буферного заряда больше, длительность импульсов может быть короче. Например, другая известная фирма OptiMate, производящая свои зарядные устройства с 1994 г., запатентовала другие параметры импульсов (заряд ─ 30 минут, пауза ─ 30 минут) вероятнее всего именно по этой причине.
Благодаря своей многочасовой продолжительности, буферный заряд работает исключительно с такими токами: сначала с амплитудным значением в 1000 мА, затем в несколько десятков мА. И что замечательно, аккумулятору абсолютно безразлично, каким током его «кормят». Пусть и мизерным, но если достаточно долго, тогда в нужный момент он с готовностью выдаст в обмотку стартера короткий (примерно 2,5 с) импульс пускового тока с амплитудным значением в сотни ампер, приводящий во вращение вал автомобильного двигателя внутреннего сгорания при его пуске. Главное, чтобы при этом напряжение на аккумуляторе не упало ниже 9 В, иначе следующая попытка вероятнее всего тоже окажется безуспешной. Именно так следует воспринимать надписи, сопровождающие диаграмму пускового импульса. Здесь отчетливо видно, что перед пуском двигателя напряжение аккумулятора составляло примерно 12,5 В, после пуска, когда включился штатный электрогенератор, напряжение увеличилось примерно до 14,5 В.
Данная диаграмма и другие последующие документировались с помощью монитора батареи BM2 Battery Monitor (1499 руб.)
https://aliexpress.ru/item/32794632957.html
Отсюда следует вывод: аккумулятор всегда должен быть исправен и заряжен до уровня не менее 50% от своей номинальной емкости, а лучше ─ 80 %, особенно в зимнее время. К сожалению, даже летом во время длительной стоянки автомобиля происходит саморазряд АКБ из-за неизбежных потерь по причине утечки тока как в самом аккумуляторе (особенно не новом), так и повышенных утечек в электрооборудовании автомобиля. Поэтому справедлив и второй вывод: если заряд АКБ от штатного электрогенератора при эксплуатации автомобиля в режиме редких коротких поездок по городу недостаточен для уверенного запуска двигателя, в этих условиях водитель должен обеспечить дополнительный подзаряд аккумулятора от вспомогательного зарядного устройства, желательно с буферным зарядом. Иначе длительная стоянка с разряженным аккумулятором сначала приведет к его сульфатации, а затем и быстрому выходу из строя.
В принципе, буферный заряд в настоящее время достаточно хорошо изучен, и многие производители, в том числе и отечественные, предусматривают наличие такого режима в производимых зарядных устройствах. Например, позиционирующая себя как ведущий мировой эксперт в области обслуживания автомобильных аккумуляторов шведская фирма CTEK реализует в торговой сети, в том числе и в России, компактное десятиамперное зарядное устройство MXS10.
Если верить этой фирме (а основания для недоверия у меня отсутствуют), 18 известнейших автопроизводителей, в частности ALFA ROMEO, AUDI, BENTLEY, BMW, LEXUS, MERSEDES BENZ и другие, рекомендуют для своих автомобилей подобное зарядное устройство, показанное на рисунке.
Несмотря на внешнее отличие лицевой панели прототипа и его клона, полагаю – корпус и его содержимое взаимно ничем не отличаются.
В левой части лицевой панели оригинального зарядного устройства отображена зарядная диаграмма напряжения (верхняя линия) и тока (нижняя линия) для восьми возможных этапов заряда. Каждый этап подсвечен желтым светодиодом по мере его выполнения, а по завершении всей заданной программы загорается зеленый светодиод в левом нижнем углу панели.
И сколько стоит это замечательное устройство? Покрепче держитесь за стул: на Яндекс-маркете 35000 руб. Это сколько новых аккумуляторов можно приобрести за такие деньги? Несмотря на такую заоблачную стоимость, среди отзывов нашёлся один пользователь, сообщающий о некорректном функционировании устройства. Если он не ошибается, в его экземпляре досрочно отмечается самопроизвольное прекращение заряда вне зависимости от выбранной программы, при котором зеленый светодиод на любом из этапов случайным образом выдает сигнал о завершении работы. Конечно, в сложном техническом устройстве весьма вероятно возникновение отказов, и тем не менее, лучше бы этого не наблюдалось. Возможность нарваться на такой конкретный «брак качества» в дорогостоящих аппаратах очень огорчает.
Нет уж, лучше я порадую свою «земноводную экономию», и почти бесплатно, исключительно из любви к паяльнику с напильником, сконструирую нечто подобное, для чего потребуется уяснить некоторые особенности буферного зарядного режима, показанные в левой части следующего рисунка. Здесь из восьми возможных оригинальных этапов выделены и показаны наиболее важные – 1, 6, 7, 8, остальные опущены. Перевод англоязычных терминов и пояснений в том же порядке приведен в подрисуночных подписях.
В чем замысел моего проекта? Правая часть рисунка способствует пониманию предъявляемых требований к разрабатываемому устройству, суть которого вполне схожа с алгоритмом MXS10, за исключением этого страшного слова сульфатация, вестника скорой отправки аккумулятора в утиль-сырьё. Не потому, что она неустранима, а потому, что стала возможной у небрежного пользователя. Значит, будет и второй, и третий раз хранения разряженного аккумулятора на автомобиле с более тяжкими последствиями. А если бы в комплекте инструмента было устройство буферного заряда, это совсем нетрудно по возвращении из поездки подключить его к аккумулятору и спокойно уйти домой. Через день или через неделю пришел, отключил, проверил напряжение, оно медленно снижается с 13,5 до 12,9 В. Поворачиваешь ключ в замке зажигания, после лёгкого щелчка мотор урчит – ну как тут не порадоваться предстоящей поездке без нервотрепки по поводу аккумулятора?
Поскольку я не заядлый автолюбитель, мой упомянутый ранее Фольксваген Поло седан 2019 г. выпуска большую часть времени простаивает либо в кооперативном капитальном неотапливаемом гараже осенью-зимой, либо на дачном участке весной-летом. Поездки на автомобиле происходят по мере необходимости, редкие и непродолжительные, например, как это показано ниже.
За период с 24 по 30 апреля автомобиль использовался всего лишь раз, 27 апреля примерно с 10 до 13 часов, остальное время находился на буферном заряде импульсами длительностью примерно 90 мин. и паузами между ними той же длительности. Более детальную прорисовку диаграммы напряжения на аккумуляторе можно видеть в режиме просмотра не 7 дней, а за 1 сутки.
Подобный режим эксплуатации автомобиля имел место 13 июля, но здесь поездка была более продолжительной ─ примерно с 10 часов до 21:30.
Показанные импульсы напряжения на аккумуляторе амплитудным значением 14,4 В соответствуют заряду от штатного электрогенератора, из-за жары требовалось включение кондиционера ─ температура наружного воздуха превышала 30°С.
Очевидно, что штатный электрогенератор при такой эксплуатации не обеспечивает систематической полной зарядной емкости аккумулятора, поэтому по завершении поездки с 21:40 до 23:00 в соответствии с рассматриваемым ниже трехэтапным алгоритмом аккумулятор вначале был заряжен сетевым зарядным устройством с максимальным напряжением 14,5 В и максимальным зарядным током 2 А до насыщения, т.е. когда ток снизился до 170 мА, а затем почти перестал снижаться. Позже особенности двухэтапного зарядного устройства будут подробно рассмотрены. Третий этап (заряд буферным током) я всегда выполняю отдельным устройством буферного заряда, в совокупности с сетевым зарядным устройством или без него, в зависимости от остаточной емкости заряжаемого аккумулятора.
Для меня летом и осенью дополнительный уход за аккумулятором совершенно необременителен в отличие от осенне-зимнего периода, когда в неблагоприятных погодных условиях длительные пешие прогулки к гаражу и морозные часы пребывания на гараже не доставляют никакого удовольствия. Тем не менее, за прошедшие 5 лет эксплуатации удалось сохранить «здоровье» аккумулятора, о чем свидетельствует показанный на рисунке отчет проверочного теста максимального пускового тока в принадлежащем официальному дилеру подразделении технического обслуживания, выполненный 24 мая 2024 г.
Как следует из заключения, аккумулятор исправен, вместо положенных по своим техническим показателям 320 А в пусковом режиме выдал 469 А, соответствует предъявляемым требованиям и в дальнейшем его эксплуатация может быть продлена, несмотря на истечение гарантийного срока. Поскольку аккумулятор вполне «здоров», имеются немаловажные основания для реализации двукратного продления его ресурса за счет буферного заряда. Поэтому более подробно ещё раз посмотрим на реализуемые фирмой CTEK особенности проведения восьмиэтапного буферного заряда, диаграммы которого показаны выше в левой части рисунка.
По своему содержанию у фирмы CTEK алгоритм заряда совпадает с правой частью рисунка, где показаны общие три этапа заряда аккумулятора: 1 этап ─ заряд фиксированным постоянным током до предельного значения напряжения, исключающего возникновение газообразования, он даёт основную часть прироста емкости аккумулятора; 2 этап ─ по достижении предельного напряжения продолжается более медленный заряд уменьшающимся током до насыщения заряда; 3 этап ─ буферный (поддерживающий) заряд напряжением 13,5…13,8 В компенсирует потери ёмкости, вызываемые естественным саморазрядом, и может продолжаться неограниченно долго без вредных последствий для аккумулятора ─ интенсивного газовыделения (кипения) электролита и электрической коррозии решёток и выводов пластин аккумулятора. Так называемая импульсная профилактическая зарядка у CTEK совмещена с буферным зарядом, параметры импульсов не конкретизируются.
Специфическая особенность буферного заряда ─ большая длительность процесса, поскольку зарядный ток весьма мал, а восполняемая им ёмкость разряженного аккумулятора может быть достаточно большой. И даже если аккумулятор не сильно разряжен, остаётся актуальной цель буферного заряда: неделями и месяцами компенсировать токи утечки аккумулятора, временно хранящегося без эксплуатации. Если учесть, что у большинства водителей имеется обычное зарядное устройство, ограничивающее зарядный ток и зарядное напряжение, весьма целесообразно довести остаточную емкость аккумулятора до 95…100% от номинального значения, а затем непрестанно поддерживать его. Просто нужно перед установкой буферного зарядного устройства зарядить аккумулятор зарядным устройством с ограничением тока и напряжения, как это иллюстрирует рисунок внизу.
На левом фото в нижней строке указано, что напряжение в зарядном устройстве ограничено значением 14,3 В, ток ─ 2,5 А. При его включении ток кратковременно составил 1,5 А, но за несколько минут он уменьшился до 0,25 А, а ещё через 43 мин. 31 сек. (третья строка сверху на правом фото) ток почти перестал уменьшаться, достигнув 0,172 А (вторая строка сверху на правом фото). В результате аккумулятор восполнил свою емкость всего лишь на 0,153 А•ч (верхняя строка правого фото), значит его остаточная емкость была очень близка к номинальной. Напряжение питания зарядного устройства составляет 31,27 В (вторая строка снизу правого фото), а температура кристалла в преобразователе равна 41,3 °С.
Многие радиолюбители наверняка здесь узнали экран китайского преобразователя напряжения XYS3580 (https://aliexpress.ru/item/1005005650636996.html) 1074 руб., который является основой самостоятельно изготовленного мною полновесного зарядного устройства, при необходимости функционирующего в моторном отсеке моего автомобиля.
Напряжение питания 220 В для преобразователя подается через разъем типа «штырь» на задней стенке корпуса из-под ИБП Back-UPS CS500, у которого мною был изъят импульсный источник питания для устройства буферного заряда. Заряжаемый аккумулятор подключен через разъем типа «гнездо», так что входной и выходной кабели перепутать невозможно.
Силовой трансформатор применён штатный от ИБП, он содержит одну высоковольтную обмотку 220 В, 50 Гц и две низковольтные, одна из которых со средней точкой. Поэтому входное сетевое напряжение подаем на высоковольтную обмотку, в качестве выхода используем половинку обмотки со средней точкой, соединенную последовательно со второй низковольтной обмоткой, в результате получаем трансформатор мощностью 200 Вт с выходным напряжением примерно 30 В. На плату ИБП у разъема Wall Outlet устанавливаем 10-амперный выпрямительный мост и фильтр из двух оксидных конденсаторов 2200 мкф х 50 В, соединенных параллельно. Выпрямленное и отфильтрованное от сетевых помех напряжение подаем на вход питания XYS3580. Остаётся сверху корпуса ИБП закрепить вентилятор для обдува преобразователя, запитать его и отличное зарядное устройство с возможностью регистрации ампер-часов, полученных аккумулятором, готово. Внутренний монтаж преобразователя XYS3580 в корпусе ИБП со снятой задней панелью показан на фото. Выпрямительный мост установлен на ребристый теплоотвод, который выглядит как гребёнка (слева). По центру фото ─ массивный трансформатор, подсвечена вдали справа ─ тыльная сторона преобразователя XYS3580.
В корпусе ИБП остался свободным отсек, предназначенный для штатного аккумулятора 12 В, 7 А•ч. Я планирую его использовать для дополнения устройства буферного заряда монитором температуры окружающего воздуха, реагирующим на критически важное снижение температуры. Например, при снижении температуры наружного воздуха до ─ 5 °С электролит в аккумуляторе замерзать не будет, поскольку конвекцией воздух внутри помещения гаража будет подогреваться бетонным покрытием земляного уровня, и на 10 градусов превышать температуру наружного воздуха. При дальнейшем снижении температуры воздуха корпус аккумулятора будет подогреваться несколькими витками саморегулируемого греющегося кабеля, показанного на рисунке.
Здесь в бухте смотано 3 м кабеля. Потребляемая мощность 10 Вт, температура на верхнем слое изоляции кабеля составляет примерно 50 °С. Напряжение 220 В на кабель будет подаваться синхронно с зарядными импульсами тока на аккумулятор через общий коммутатор, показанный на титульном рисунке данного обзора. В нём использован тринистор ВТА16-600В, не подверженный какому либо износу контактных переключающих групп, что повышает надёжность устройства буферного заряда. Рассмотрим подробнее его схематическое и конструктивное построение, иллюстрируемое на рисунке внизу.
Слева на рисунке изображена принципиальная схема устройства, справа ─ монтажная. В основе устройства ─ микросхема КР512СП10, состоящая из автоколебательного RC-генератора и нескольких программируемых делителей частоты импульсов. Программирование осуществляется подключением предназначенных для этого выводов микросхемы либо к положительному напряжению, либо к заземляющему потенциалу. Частоту и длительность выходных импульсов за счет изменения коэффициента деления можно подбирать в очень широких пределах ─ от 2048 до 235929600.
На показанной принципиальной схеме коммутация соответствует максимальному коэффициенту деления. В то же время период следования генерируемых импульсов за счет подбора частотозадающего конденсатора С3 выбран равным примерно 3,5 часам, как это показывают диаграммы за 6 мая и 13 июля (см. выше). Соответственно длительность импульса составляет примерно 100 мин., причем выходные импульсы приобретают форму симметричного меандра, когда длительность активной фазы импульса в точности соответствует длительности паузы между генерируемыми импульсами.
Подача напряжения высокого уровня на вывод 2 микросхемы приводит к обнулению всех счетчиков. Такой импульс сброса (Reset) генерирует транзистор VT1 при включении устройства либо при его перезапуске после пропадания питающего напряжения. Питание коммутатора реализовано от сети 220 В через лишённый корпуса маломощный зарядный блок от любого сотового телефона (смартфона). Зеленый светодиод VD1 индицирует наличие питающего напряжения, желтый VD2 ─ активную фазу генерируемого импульсного напряжения. Отсутствие свечения VD2 при свечении VD1 указывает на паузу между генерируемыми импульсами, и соответственно отсутствие напряжения 220 В в розетке «LOAD», куда подключают устройство буферного заряда и нагреватель аккумулятора зимой. Есть напряжение в розетке ─ напряжение 13,5 В подано на клеммы заряжаемого аккумулятора, отсутствует напряжение в розетке ─ аккумулятор «отдыхает».
Коммутацией напряжения в розетке управляет микросхема MOC3062M, фактически это оптопара с симисторным выходом 600В, при этом переключение «ВКЛ─ВЫКЛ» происходит при переходе сетевого напряжения через ноль, что снижает создаваемые помехи и нагрев выходного тринистора ВТА16-600В при мощной нагрузке. Управляющий сигнал на переключение исходит от рассмотренной выше микросхемы КР512ПС10.
Коммутатор спроектирован на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размером 60х70 мм. Для генераторной части соединительные проводники схемы вытравлены из медной фольги в соответствии с принципиальной схемой. Силовая часть схемы реализована навесным монтажом, как это показано на рисунке.
Тринистор ВТА16-600В установлен на дюралюминиевый теплоотвод с габаритными размерами 40х18х20 мм, на тыльной стороне которого размещены 7 продольных рёбер. Можно использовать другой подобный, тепловая нагрузка на тринистор весьма щадящая. Смонтированную и отлаженную печатную плату с помощью двух диагональных винтов М3х17 мм с гайками и гетинаксовых гильз высотой 10 мм закрепляют в корпусе из дюралюминиевой прямоугольной трубы. Такие профили используют при изготовлении дверных и оконных рам. Внутренние размеры трубы по сечению 46х102 мм, по длине 77 мм.
При выполнении навесного монтажа особое внимание следует обратить на подключение тринистора. В условном графическом обозначении выводов тринистора не конкретизируется, какой из выводов является первым анодом (А1), какой вторым (А2), хотя это имеет значение. Очень важно подключить их так, как это изображено на схеме. Если подключение А1 и А2 поменять местами, схема работать не будет, хотя тринистор совершенно исправен. Управляющий электрод G единственный, здесь не скрывается какая-либо засада, все ясно и однозначно. Фазовый и нулевой проводники сетевого напряжения можно менять местами, хотя на некоторых схемах их указывают.
Надеюсь, в обзоре понятно пояснено, как изготовить коммутатор импульсов тока буферного заряда аккумулятора, и как его использовать. И вроде бы всё логично ─ чтобы продлить срок эксплуатации аккумулятора, следует компенсировать его саморазряд при хранении буферным зарядом. При этом можно держать подключенным устройство буферного заряда сколь угодно долго без всякого вреда для аккумулятора. Но возникает желание модифицировать такой бесхитростный процесс. Взглянем ещё на один рисунок.
Какой смысл накачивать импульсами аккумулятор, если они уже «не лезут»? Речь идет не об экономии (потребляемая мощность примерно 1 Вт), а о здравом смысле. Из диаграммы напряжения видно, что целые сутки напряжение на аккумуляторе неизменно. Есть небольшие колебания вследствие изменения температуры воздуха, но очень малые ─ в сотые доли вольта. А что, если в эти сутки буферный заряд не включать? Ведь с гарантией 100%, в такой день в любую минуту двигатель заведётся с пол-оборота.
Наверное, это правильно, но… как бы «ребёнка не выплеснуть вместе с водой». Приобрел я ещё китайский розеточный программируемый таймер, и хочу выяснить, как лучше организовать отдых аккумулятору ─ через сутки, через двое? Причем потребуется учитывать тепловой режим аккумулятора, но эти исследования уже предстоят холодной зимой.
Я рад читателям и форумчанам, внимательно прочитавшим сей обзор с первой до последней буквы, благодарю их за потраченное время, надеюсь, что местами заставил их задуматься о сложных задачах, решаемых автолюбителями, и пожелать всем мира, удачи и добра.
h