מטען סוללות

מטען סוללות (ובקיצור: מטען) הוא מכשיר המטעין אנרגיה בסוללה נטענת על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכה. אופי הטעינה (כמות המתח או הזרם בפרק זמן מסוים, ועוד) תלוי בגודל ובסוג הסוללה הנטענת.

לחלק מסוגי הסוללות יש סבילות גבוהה לטעינת יתר, לאחר טעינה מלאה של הסוללה, כך שניתן להטעין את הסוללה מחדש על ידי חיבור למקור מתח קבוע או מקור זרם קבוע, בהתאם לסוג הסוללה. מטענים פשוטים מסוג זה חייבים להתנתק ידנית בתום מחזור הטעינה. בסוגי סוללות אחרים נעשה שימוש בטיימר כדי לסיים את הטעינה כאשר היא אמורה להסתיים. סוגי סוללות אחרים אינם יכולים לעמוד בטעינת יתר שעלולה לגרום לחימום יתר או אף לפיצוץ.

למטען עשויים להיות מנגנוני חישת טמפרטורה או מתח, ומיקרו-בקר כדי להתאים את זרם הטעינה והמתח בצורה בטיחותית, לקבוע את מצב הטעינה ולנתק בסיום הטעינה. מטענים עשויים להעלות את מתח המוצא באופן פרופורציונלי לזרם, כדי לפצות על עכבה בחוטי החשמל.

מטען טפטוף מספק כמות קטנה יחסית של זרם, המספיקה רק כדי לנטרל פריקה עצמית של סוללה שאינה פעילה לאורך זמן. סוגי סוללות מסוימים אינם יכולים לסבול טעינת טפטוף; ניסיונות לעשות זאת עלולים לגרום להם לנזק. סוללות ליתיום-יון אינן יכולות להתמודד עם טעינת טפטוף בלתי מוגבלת. הטענה על ידי מטען בטעינה איטית עשויה לארוך מספר שעות על מנת להשלים את הטעינה. הטענה על ידי מטען בקצב טעינה גבוה עשויה להחזיר את רוב הקיבולת החשמלית הרבה יותר מהר, אולם ישנם סוגי סוללות שאינם מסוגלים לסבול קצב טעינה גבוה. סוללות מסוג זה דורשות ניטור אקטיבי של הסוללה על מנת להגן עליה מכל שימוש שעלול להזיק לה.

רכב חשמלי זקוק באופן אידיאלי למטענים בקצב גבוה. התקנת מטענים כאלה היא אחד האתגרים העומדים בפני רכבים חשמליים.

 מדד C-rate 
קצב טעינה ופריקה של מטענים מסומן לרוב כ- C או C-rate, שהוא מדד לקצב הטעינה או הפריקה של סוללה ביחס לקיבולת שלה. קצב ה-C מוגדר כזרם הטעינה או הפריקה חלקי קיבולת הסוללה לאחסון מטען חשמלי. אמנם לעיתים נדירות מצוין במפורש כי יחידת קצב ה-C היא h −1, שהוא שווה ערך לקביעת יכולת הסוללה לאחסן מטען חשמלי ביחידת שעה כפול הזרם באותה יחידה, כמו זרם הטעינה או הפריקה. קצב ה-C לעולם אינו שלילי, כך שהקביעה אם הוא מתאר תהליך טעינה או פריקה תלויית הקשר.

לדוגמה, עבור סוללה בקיבולת של 500 מיליאמפר לשעה, קצב פריקה של 5000 מיליאמפר (כלומר, 5A) מתאים לקצב C של 10C, כלומר זרם כזה יכול לפרוק 10 סוללות כאלה בשעה אחת. כמו כן, עבור אותה סוללה זרם טעינה של 250mA מתאים לקצב C של C/2, כלומר זרם זה יגדיל את מצב הטעינה של סוללה זו ב-50% תוך שעה אחת.

הפעלת זרם דרך סוללות מייצרת חום פנימי, פרופורציונלי בערך לזרם המעורב. אם תהליך הטעינה הוא אנדותרמי (כמו במקרה של סוללות מסוג Ni-Cd , בעוד שטעינת סוללות ניקל-מתכת הידריד  היא אקסותרמית) תהליך הטעינה מקרר בתחילה את הסוללה, אך כשהיא מגיעה לטעינה מלאה, אפקט הקירור נפסק, והתא מתחיל להתחמם. זיהוי עליית טמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס היא אחת הדרכים לקבוע מתי להפסיק את הטעינה. תאי סוללה שנבנו כדי לאפשר קצב C גבוה מהרגיל חייבים לספק חימום מוגבר. אבל דירוג C גבוה אטרקטיבי למשתמשים, מכיוון שניתן לטעון סוללות כאלה מהר יותר, ולהפיק תפוקת זרם גבוהה יותר בשימוש. קצב C גבוה בדרך כלל מחייב את המטען לנטר בקפידה פרמטרים של הסוללה, כגון מתח מסוף וטמפרטורה, כדי למנוע טעינת יתר וכך נזק לתאים. קצב טעינה כה גבוה אפשרי רק בכמה סוגי סוללות. סוגים אחרים ייפגעו או אולי אף יתחממו יתר על המידה ויעלו באש. חלק מהסוללות עלולות אפילו להתפוצץ. לדוגמה, סוללת עופרת-חומצה לרכב טומנת בחובה מספר סיכוני פיצוץ. סוג חדש יותר של מטען ידוע כמטען מוצק. סוג זה יודע להתגבר על המגבלות של סוללות נוזליות.

 סוגים 

המטען הפשוט ביותר פועל על ידי אספקת מתח קבוע ישר לסוללה הנטענת, באופן רציף או בפעימות. מטען פשוט בדרך כלל אינו משנה את התפוקה שלו בהתבסס על זמן הטעינה או הטעינה בסוללה. מטען מסוג זה אמנם זול יותר, אך מוגבל ביכולותיו. למטען פשוט שתוכנן בקפידה ייארך לרוב זמן ממושך יותר לטעון סוללה, מכיוון שהוא מוגדר לשימוש בקצב טעינה נמוך יותר ובטוח יותר. עם זאת, סוללות רבות שנותרו על מטען פשוט זמן רב מדי עשויות להיחלש או אף להיהרס עקב טעינת יתר. מטענים אלה משתנים גם בכך שהם יכולים לספק מתח קבוע או זרם קבוע לסוללה.

למטענים פשוטים המופעלים על ידי AC יש בדרך כלל זרם אדווה ומתח אדוות  גבוהים בהרבה מאשר סוגים אחרים של מטעני סוללות, מכיוון שהם מתוכננים ומיוצרים בזול. באופן כללי, כאשר זרם האדוות נמצא ברמת המומלצת של יצרן הסוללה, גם מתח האדוות יהיה בטווח המומלץ. זרם האדוות המרבי עבור סוללת VRLA  טיפוסית הוא 5 אמפר. כל עוד זרם האדוות אינו מוגזם (יותר מפי 3 עד 4 מהרמה המומלצת על ידי יצרן הסוללות), אורך החיים הצפוי של סוללת VRLA טעונה אדווה יהיה בטווח של 3% מחייה של סוללה קבועה טעונה DC.

 מטען מהיר 
מטען מהיר עושים שימוש במנגנוני בקרה כדי לטעון במהירות את הסוללה מבלי לפגוע באף אחד מהתאים שבה. ניתן לבנות את מנגנוני הבקרה בסוללה (בדרך כלל לכל תא) או ביחידת הטעינה החיצונית, או לפצל בין שניהם. לרוב המטענים הללו יש מאוורר קירור כדי לשמור על טמפרטורת התאים ברמות בטוחות. רוב המטענים המהירים מסוגלים גם לפעול כמטענים רגילים ללילה, אם משתמשים בהם עם תאי NiMH סטנדרטיים שאין להם את מנגנוני הבקרה המיוחדים.

 מטען תלת-שלבי 
על מנת להאיץ את זמן הטעינה ולספק טעינה רציפה, מטען חכם מנסה לזהות את מצב הטעינה ומצב הסוללה, ומחיל שיטת טעינה בת 3 שלבים: השלב הראשון מכונה "קליטה בתפזורת"; זרם הטעינה יישמר גבוה וקבוע ומוגבל על ידי קיבולת המטען. כאשר המתח בסוללה מגיע למתח הגז שלו (2.22 וולט לתא) המטען עובר לשלב השני, והמתח נשמר קבוע (2.40 וולט לתא). הזרם הנמסר ירד במתח הנשמר, וכאשר הזרם יגיע לפחות מ-0.005C, המטען נכנס לשלב השלישי שלו ותפוקת המטען תישמר קבועה ב-2.25 וולט לתא. בשלב השלישי, זרם הטעינה קטן מאוד 0.005C ובמתח זה ניתן לשמור על הסוללה בטעינה מלאה ולפצות על פריקה עצמית שלה.

 מטען חכם 
מטען חכם יכול להגיב למצב הסוללה ולשנות את הפרמטרים של הטעינה שלו בהתאם, בעוד שמטען רגיל מפעיל מתח קבוע. סוללה חכמה, המכילה שבב מחשב ומתקשרת דיגיטלית עם המטען לגבי מצב הסוללה, דורשת מטען חכם. אולם חלק מהמטענים החכמים יכולים להטעין גם סוללות רגילות חסרות כל אלקטרוניקה פנימית.

זרם המוצא של מטען חכם תלוי במצב הסוללה. מטען חכם עשוי לנטר את המתח, הטמפרטורה או זמן הטעינה של הסוללה כדי לקבוע את זרם הטעינה האופטימלי או לסיים את הטעינה. עבור סוללות Ni-Cd ו־NiMH, המתח של הסוללה עולה באיטיות במהלך תהליך הטעינה, עד שהסוללה נטענת במלואה. לאחר מכן המתח יורד, וכך המטען החכם מזהה שהסוללה טעונה במלואה. מטענים כאלה מסומנים לעיתים קרובות כמטען ΔV, "דלתא-V", או לפעמים "שיא הדלתא", מה שמצביע על כך שהם עוקבים אחר שינוי מתח. מצב זה עלול לגרום למטען החכם לא לזהות שהסוללה כבר טעונה במלואה, ולהמשיך בטעינה, מה שעלול להוביל לטעינת יתר. לפיכך מטענים חכמים רבים עושים שימוש במגוון מערכות ניתוק כדי למנוע טעינת יתר. מטען חכם טיפוסי מטעין סוללה במהירות של עד כ-85% מהקיבולת המרבית שלה תוך פחות משעה, ולאחר מכן עובר לטעינת טפטוף, שאורכת מספר שעות כדי למלא את הסוללה לקיבולת מלאה.

 קישורים חיצוניים 

קטגוריה:רכיבים חשמליים
קטגוריה:מעגלים חשמליים
קטגוריה:מכשירי חשמל: רכיבים