Nabíječky - princip funkce a rozdělení

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.

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.

Jaké procesy probíhají v nabíječce?

Většina dnešních nabíječek funguje na následujícím 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 výhradně stejnosměrným proudem.

Režim nabíjení CC/CV

Nabíječky pro olověné a li-ion baterie mají stejné nabíjecí procesy. Nejdříve je baterie nabíjena v režimu za konstantního proudu (Constant Current – CC) a když baterie dosáhne svého horního mezního napětí, tak nabíječka přepne do režimu konstantní napětí (Constant Voltage – CV) a dojde k omezení velikosti proudu. Horní mez napětí pro každou technologii baterie má jinou hodnotu. V tomto bodě nabíjecího cyklu, dochází k takzvanému nasycení baterie, a proud tím klesá. Při plném nabití proud klesne na nastavenou úroveň – jinak řečeno udržovací proud (Trickle Current).

Režim nabíjení CC

NiCD a NiMH baterie mají odlišný proces nabíjení. Nabíjení probíhá v režim za konstantního proudu a napětí se nechá volně pohybovat. Technologii niklových baterií nevadí mírné zvýšené horní napětí – tzv. přebíjení. Odhad stavu nabití baterie se počítá přes dodaný elektrický náboj a nebo přes změnu teploty na baterii.

Rozdělení nabíjení podle rychlosti

Prvním typem je pomalá nabíječka, také známá jako noční nabíječka. Tyto nabíječky nabíjejí rychlostí cca 0,1C  Pomalé nabíječky nemají detekci plného nabití. Plné nabití vybité baterie trvá 14 až 16 hodin.

Co znamená rychlost nabíjení 0,1C? Baterie o kapacitě 2 Ah bude nabíjena proudem 0,2 A. Za C se dosazuje kapacita baterie.

 Číslo, které je před C najdeme v manuálu baterie.

Rychlá nabíječka je používána pro spotřební zboží. Doba nabíjení vybité baterie trvá 3 – 6 hodin. Pokud je baterie plně nabitá, přepne nabíječka do režimu udržovacího proudu. Většina rychlých průmyslových nabíječek zahrnuje snímání teploty a tím bezpečně odhalí vadnou baterii. Největší výhodou rychlých nabíječek je právě doba nabíjení. Rychlost nabíjení se pohybuje okolo 1C.

Ultra-rychlé nabíječky jsou nejvíce skloňovány ve spojení s elektromobily. Dobíjení elektromobilů během několika minut je podobné, jako natankovat 50 l paliva do nádrže. Pokud bychom to měli přepočítat na elektrickou energii, mělo by se dodat přibližně 600 kWh.

Aktuální hustota energie li-ion baterií je asi 250 – 300 Wh/kg, což je zhruba stokrát méně než u fosilních paliv. Nabíjení EV tak bude vždy trvat déle než naplnění nádrže a baterie bude vždy dodávat méně energie na jednotku hmotnosti než fosilní paliva.

Baterie musí být navržena tak, aby mohla přijmout ultra-rychlý tok elektronů a musí být v dobrém stavu. Ultra-rychlé nabíjení platí pouze během první fáze nabíjení. Nabíjecí proud se začne snižovat když baterie dosáhne 70%  state-of-charge (SOC). Všechny články v baterii musí být vyvážené a musí mít velmi nízký vnitřní odpor. Stárnoucí články se rozcházejí v kapacitě a ve vnitřním odporu, což způsobuje nesoulad a zvýšení „stresu“ na slabší článcích.

Ultra-rychlé nabíjení lze provést pouze za mírných teplot. Nízká teplota zpomaluje chemickou reakci. Stejným způsobem, stav baterie určuje rychlost nabíjení. Dobře navržená super rychlá nabíječka by měla zahrnovat teplotní kompenzaci a další bezpečnostní funkce, které snižují nabíjecí proud, pokud by nastaly podmínky, kdy je baterie vystavena zvýšenému stresu.

Z následujícího grafu je patrné, že i přes řadu regulačních a bezpečnostních funkcí snižují rychlonabíječky životnost baterie.

Odebírá nabíječka proud, když zůstane v zásuvce ?

Na závěr často kladená otázka – Odebírá nabíječka proud, pokud ji necháme po nabíjení zapojenou v zásuvce? Odpověď zní: ANO! I nabíječky mají standby režim (pohotovostní režim) a po odpojení nabíjeného zařízení stále odebírají elektrický výkon. Standby spotřeba osobních nabíječek se pohybuje kolem 250 – 350 mW.

Zdroj úvodní fotografie: play.google.com