Každý už určitě nabíjel baterii v nějakém elektronickém zařízení. Pozastavili jste se někdy nad tím, jak taková nabíječka funguje a co se v tom „black-boxu“ odehrává ze procesy? Dobrá nabíječka poskytuje základ pro dobře fungující baterii. Baterie a nabíječka musí jít ruku v ruce, jako šroub a matice, a to není vždy dodrženo. Velice často se stává, že baterie je nabíjena v nepříznivých podmínkách. Pokud nabíječka nenabíjí správně, baterie je lidsky řečeno ve stresu a tím se zkracuje životnost baterie v zařízení.
Typy nabíječek a jejich význam pro výkon baterie
Nabíječky se dělí na osobní a průmyslové, „inteligentní“ a „němé“, pomalé, rychlé a ultra-rychlé typy. Spotřebitelské produkty se dodávají s „low-cost“ osobní nabíječkou, která funguje dobře, když se používá podle pokynů. Průmyslové nabíječky jsou často vyvinuty třetí stranou a obsahuje speciální funkce, jako je například pro NiCD a NiMH baterie funkce „do vybití baterie“. Některé nabíječky pro li-ion baterie, např. od firmy Cadex, disponují speciální funkcí „oživení baterie“, která umožňuje dobíjení, pokud byla li-ion baterie v důsledku špatného skladování nadměrně vybitá. Tento tzv. spánkový stav může nastat při skladování baterie ve vybitém stavu, kdy samovybíjení sníží napětí na tzv. mezní bod.
- Pomocí CC/CV režimu nabíjení se baterie nabíjí nejčastěji; nejprve konstantním proudem (CC) a poté konstantním napětím (CV), kdy proud klesá až na udržovací proud.
- U NiCD a NiMH baterií se používá odlišný proces, kdy je napětí volně pohyblivé a stav nabití se odhaduje podle dodaného náboje či teploty.
- Ultra-rychlé nabíjení vyžaduje baterie dobře navržené a vyvážené články s nízkým vnitřním odporem a teplotní kontrolou.
Co se děje v samotné nabíječce?
Většina dnešních nabíječek funguje na principu: uvnitř nabíječky je transformátor, který zajistí, aby na výstupní straně bylo požadované napětí pro baterii. Dále za transformátorem je usměrňovací obvod, protože baterie se nabíjí stejnosměrným proudem. Režim nabíjení CC/CV je typický pro olověné i Li-ion baterie. Nejprve je baterie nabíjena v režimu konstantního proudu (CC) a když dosáhne horního mezního napětí, nabíječka přepne do režimu konstantního napětí (CV) a dojde k omezení proudu. Horní mez napětí pro každou technologii má jinou hodnotu. V závěrečné fázi dochází k nasycení baterie a proud postupně klesá; při plném nabití klesne na udržovací proud (trickle).
U NiCD a NiMH baterií bývá proces CC s volným pohybem napětí. Přebíjení u NiMH/NiCD není branou k zásadnímu problému a odhadu stavu nabití se často používá podle dodaného náboje nebo změny teploty na baterii.
Kdy a jak rychle nabíjet: rozdělení podle rychlosti
Prvním typem je pomalá nabíječka, nazývaná také noční nabíječka. Tyto nabíječky nabíjejí rychlostí cca 0,1C. Pomalé nabíječky nemají detekci plného nabití a plné nabití vybité baterie trvá 14 až 16 hodin. Co znamená rychlost 0,1C? Baterie o kapacitě 2 Ah bude nabíjena proudem 0,2 A. Číslo před C je kapacita baterie.
Rychlá nabíječka je určena pro spotřební zboží a doba nabíjení vybité baterie bývá 3-6 hodin. Po dosažení plného nabití nabíječka přepne do režimu udržovacího proudu. Rychlé průmyslové nabíječky často měří teplotu a tím zvyšují bezpečnost a odhalují vadné baterie. Hlavní výhodou rychlých nabíječek je skutečnost, že zkracují dobu nabíjení. Rychlost se pohybuje okolo 1C.
Ultra-rychlé nabíjení je téměř výhradně spojeno s elektromobily. Dobíjení EV během několika minut připomíná doplňování paliva. Současně energetická hustota Li-ion baterií dosahuje zhruba 250-300 Wh/kg, což je výrazně méně než fosilní paliva, a nabíjení EV tak trvá déle než naplnění nádrže.
Bezpečnost a udržování baterií během a po nabíjení
Nabíječky musí být navrženy tak, aby zvládly teplotní odchylky a zajistily teplotní kompenzaci. Správná volba proudu, vyvážení článků a monitorování teploty během nabíjení pomáhají snížit „stres“ na slabších článcích a prodloužit životnost baterie. Při ultra-rychlém nabíjení se proud snižuje až po dosažení 70% SOC, aby se minimalizovalo opotřebení.
Většina lidí řeší často kladenou otázku, zda nabíječka odebírá proud po odpojení zařízení. Odpověď je ano - nabíječka má standby režim a i po odpojení zařízení stále odebírá výkon. Výstup nabíječky je po celou dobu nabíjení nastaven na určité napětí, které odpovídá meznímu napětí akumulátoru (cca 14,4-14,8 V pro 12V baterie). Při zhoršené kapacitě akumulátoru či nedostatečném výkonu nabíječka nemusí dodat potřebný proud, což zvyšuje dobu nabíjení a může vést k přetížení.
Praktické příklady a ukázky z činnosti nabíječek Absaar
V některých nabíječkách Absaar je popsán režim s postupnými fázemi: přednabíjení, konstantní proud, konstantní napětí a udržovací nabíjení. Přednabíjení zahrnuje identifikaci napětí akumulátoru, a pokud je nízké, baterii se doplní. Hlavní fáze je konstantní proud, který může nabít baterii na 70-85% kapacity. Následuje fáze konstantního napětí s postupným snižováním proudu, až se dostane k určitému limitu (např. 0,1 C). V závěrečné fázi se přechází do udržovacího nabíjení, které udržuje stav nabití téměř na 100% a zabraňuje samovybíjení.
Ukázka řízení nabíjení a zobrazování na LCD displeji zahrnuje indikaci stavu baterie, režimu nabíjení, aktuální napětí a chybových kódů. U 6V baterií se batériové napětí pohybuje v rozmezí 3,5-5 V a nabíjení probíhá v režimu SLOW. U 12V baterií se začíná s režimem SLOW a lze změnit na FAST či LOW TEMP. Při zobrazeních „Lo“ a nelze pokračovat, je nutné zkontrolovat stav baterie a případně restartovat proces.
Understanding CC-CV Charging in Electric Vehicles
Tabulka: srovnání režimů a rychlostí nabíjení
| Režim | Typ baterie | Charakteristika | Typická doba nabíjení |
|---|---|---|---|
| CC | Li-ion, Pb | Konstantní proud, napětí volně roste | Různá podle kapacity |
| CV | Li-ion, Pb | Napětí konstantní, proud klesá | Dokončení nabití |
| Slow | 6V/12V baterie | Pomalé nabíjení 0,1C | 6-16 hodin |
| Fast | Li-ion, Pb | Rychlé nabíjení s teplotní kontrolou | 3-6 hodin |
| Ultra-fast | Li-ion pro EV | Velmi vysoký proud, nutná teplotní regulace | Desítky minut |
Další praktické poznámky
- Nabíječky stojí v standby režimu a mohou spotřebovat energii i po odpojení nabíjeného zařízení.
- Teplota akumulátoru je klíčová pro bezpečné a efektivní nabíjení, zejména u ultra-rychlých nabíjení.
- Nabíječky by měly mít označení kompatibility s 6V a 12V bateriemi a zohledňovat specifika použité technologie (Pb, NiMH, Li-ion).
- Při používání nabíječek pro vozidla s vysokou kapacitou (EV) je nutná kvalifikovaná kontrola a systém řízení nabíjení, aby se předešlo nadměrnému teplení a degradaci článků.