Полная редакция моей статьи, опубликованной в журнале "За рулем" 1996, №5, стр.116

Банальная истина - долговечность и надежность работы аккумулятора, при прочих равных условиях, определяется качеством его обслуживания, которое на практике сводится к поддержанию требуемого уровня и плотности электролита и, при необходимости, подзарядке от сетевого зарядного устройства. Разумеется, чистота поверхности батареи и клемм, а также надежность крепления последних на полюсных выводах и правильное натяжение ремня генератора - обязательны. Выполнение этих условий позволяет исправно работать среднестатистическому аккумулятору два-три года, что существенно меньше его потенциального ресурса /1/.Следующий уровень заботы о состоянии батареи требует контроля напряжения на ее выводах, поддерживаемого регулятором напряжения при работающем двигателе. Хорошо известно, что аккумулятор весьма чувствителен к зарядному напряжению и существует оптимальное его значение, отклонение от которого приводит к заметному уменьшению срока службы аккумулятора. Так, отклонение напряжения на 10% относительно оптимального ускоряет выход из строя батареи в 2-2,5 раза. При этом, часто забывают, что сама величина оптимального напряжения довольно сильно зависит от температуры электролита: с повышением температуры оптимальное напряжение для свинцовых 12-вольтовых аккумуляторных батарей, работающих в буферном режиме, снижается со скоростью примерно 25 мВ/°С. Это означает, что если при температуре электролита +25°С оптимальное напряжение равно 13,8 В, то при -25°С оно должно составлять примерно 15,0 В, а при +40°C - 13,4 В (см. рисунок слева, кривая 4). Встречающееся иногда в литературе значение коэффициента температурной коррекции -30...-40 мВ/°С справедливо для свинцовых батарей, работающих в циклическом режиме (подробнее об этом смотрите ниже).

В большинстве современных электронных регуляторов принимаются меры по температурной стабилизации напряжения на уровне 13,5 - 14,5 В. На практике это приводит к тому, что летом зарядное напряжение превышает оптимальное на 7...10% , аккумулятор перезаряжается, электролит "кипит", что сопровождается не только разложением электролита и потерей воды, но и, что гораздо важнее, отрывом частиц активной массы электродов и накоплением на дне банки аккумулятора шлама. В результате требуется частая доливка дистиллированной воды, емкость батареи неуклонно снижается, и в конце концов, через слой шлама или оплывшую активную массу происходит короткое замыкание электродов. Зимой уменьшение зарядного напряжения относительно оптимального может достигать 10...15%, что в совокупности со значительным уменьшением зарядного тока и повышенным расходом энергии приводит к систематическому недозаряду и сульфатации аккумулятора.

Ясно, что доступные автолюбителю операции по уходу за батареей в данных условиях обязательны, но неэффективны, т.к. направлены на устранение лишь некоторых видимых последствий, а не на предотвращение причин их возникновения. Пожалуй, единственным известным сегодня решением этой проблемы является автоматическое изменение зарядного напряжения в соответствии с температурой батареи. Однако ни один из имеющихся регуляторов напряжения этим качеством не обладает /2/.

Справедливости ради следует отметить, что в новейших образцах электронных регуляторов предусматривается температурная коррекция напряжения. Например, в интегральном регуляторе Я212А11Е, разработанном для генераторной установки автомобилей "десятых" семейств ВАЗ и ГАЗ, температурный коэффициент напряжения (ТКН) составляет -5...-6 мВ/°С (кривая 2). Аналогичные значения ТКН заложены и в генераторах зарубежного производства (смотри фрагмент книги здесь). Явно недостаточная величина ТКН обусловлена тем, что термочувствительный элемент находится в самом регуляторе и регистрирует температуру генератора (которая летом нередко превышает 100 С), а не батареи . Более того, даже эта малая величина коррекции при напряженном тепловом режиме генератора приводит к занижению зарядного напряжения и, как следствие, хроническому недозаряду аккумулятора. Еще одна причина снижения напряжения связана с тем, что генератор сам является источником тепла - чем больше включено потребителей, тем больше он греется с уже отмеченными последствиями. Особенно выражено это явление на автомобилях ГАЗ-3110, многие владельцы которых замечают снижение напряжения через 20...30 минут после начала работы двигателя. На ВАЗовских автомобилях это падание не так явно выражено, но тоже присутствует. Ясно, что такая упрощенная реализация правильной идеи температурной коррекции облегчает жизнь производителю (особненно производителю аккумуляторов) и наш кошелек!

Если всерьез говорить об оптимальной температурной коррекции зарядного напряжения, то регулятор должен иметь выносной датчик температуры, расположенный непосредственно на батарее. Являясь обязательным, это условие все же недостаточно для практической реализации регулятора с оптимальным значением ТКН. Как видно из рисунка, при температурах ниже -20°С оптимальное зарядное напряжение и, следовательно, напряжение в бортовой сети значительно возрастает, превышая 16 В, что отрицательно влияет на параметры и надежность остального электрооборудования автомобиля. Снижение напряжения менее 13,2 В при высоких (более +40°С) температурах также нежелательно, т.к. ухудшает пусковые характеристики батареи, уменьшает энергию искры в контактной системе зажигания, мощность аудиосистемы и радиопередатчика CB, световую отдачу ламп и т.д.

Удовлетворение противоречивых требований аккумулятора и различных элементов электрооборудования возможно реализацией нелинейного закона изменения напряжения, при котором в пределах допустимого диапазона напряжение изменяется с оптимальным значением ТКН, а за его границами напряжение стабилизируется на нижнем или верхнем пределе соответственно при экстремально высоких или низких температурах. Считая, согласно /3/, допустимым диапазон изменения напряжения от 13,2 В до 15,6 В, видим, что интервал температур, при которых такой регулятор обеспечивал бы оптимальное зарядное напряжение, простирается от -20°С до +40°С. Если же реальная температура батареи находится за пределами этого диапазона, то отклонение зарядного напряжения от оптимального значительно меньше, чем в обычных регуляторах без температурной коррекции и , как правило, непродолжительно.

В ходе экспериментов мне удалось найти простой способ технической реализации такого нелинейного закона управления зарядным напряжением, признанный изобретением (патент РФ N 2006130). Экспериментальные образцы ТермоОптимизированного Регулятора Напряжения (ТОРН), были установлены на 10 частных легковых автомобилях еще в мае - июле 1987г. Многолетнее наблюдение за некоторыми из них подтвердило ожидания: минимальный срок службы обычного отечественного аккумулятора превысил 7 лет и это при том, что аккумуляторы до установки ТОРНа уже работали некоторое время со штатными регуляторами.
Дополнительно к главной функции нелинейной температурной оптимизации напряжения, реализованы и другие "приятные мелочи". ТОРН, в отличие от многих интегральных и выносных регуляторов напряжения, поддерживает напряжение непосредственно на выводах батареи, отключает обмотку возбуждения генератора при остановленном двигателе и при его пуске стартером. Кроме того, ТОРН имеет встроенный узел контроля за исправностью системы генератор-регулятор-аккумулятор, обеспечивающий кроме обычных "горит" - "не горит", дополнительный режим прерывистого свечения штатной контрольной лампы при любых неисправностях, приводящих к перезарядке аккумулятора. Особенности его работы можно посмотреть здесь . Это позволяет повысить достоверность и информативность штатной контрольной лампы.
Особые меры приняты для повышения надежности регулятора. Так, при случайном обрыве кабеля термодатчика, ТОРН будет продолжать работать как обычный регулятор, утратив лишь функции температурной коррекции и контроля напряжения непосредственно на выводах батареи.

Улучшение условий работы батареи стало заметно почти сразу по прекращению выкипания электролита. В условиях жаркого лета юга Ростовской области периодичность долива воды снизилась до одного раза в год...полтора, причем ее максимальный расход за год не превысил 200 г при пробеге 19тыс. км. Зимой подзарядка требовалась только после длительной стоянки (более двух месяцев). Положительные результаты, отмеченные всеми участниками этих неформальных испытаний, позволили еще до их завершения организовать мелкосерийный выпуск ТОРН, о чем кратко информировал журнал "За рулем" ('94,N3), а также подсказали пути дальнейшего совершенствования регулятора.

В основе создания следующего варианта ТОРН лежали две предпосылки. Во-первых, известно, что заряд аккумуляторной батареи на автомобиле при постоянном напряжении, принципиально не позволяет зарядить батарею полностью. При зарядном напряжении 14В аккумулятор способен зарядиться (даже теоретически!), не более чем на 80-85% своей номинальной емкости /3/. Трудно поверить, но заплатив за батарею емкостью 55 Ач, Вы фактически пользуетесь батареей емкостью не более 45 Ач! К тому же минимально допустимая 75% заряженность, ниже которой зимняя эксплуатация аккумулятора резко ускоряет его гибель, оказывается неожиданно близка к максимально возможной при заряде от генераторной установки автомобиля. Этим обстоятельством продиктована известная многим автолюбителям рекомендация периодически подзаряжать батарею сетевым зарядным устройством при напряжении на ее клеммах 15,5…16 В. Для продления срока службы аккумулятора эту операцию необходимо выполнять, особенно зимой, даже если пока нет никаких претензий к его состоянию. Расплачиваться за это приходится потерями времени и дополнительными расходами на приобретение зарядного устройства и оплату постоянно дорожающей электроэнергии.

Вторая предпосылка связана ... с режимом движения автомобиля в городских условиях. Известно, что 65-70% времени движения автомобиль работает на неустановившихся режимах, причем на ускорение приходится 35-40%, а на замедление около 30% /4/. При ускорении потребность в мощности, отбираемой от двигателя трансмиссией, максимальна, тогда как при замедлении имеется ее избыток, а запасенная кинетическая энергия автомобиля рассеивается впустую. Естественно, у меня возникло желание использовать ее для дополнительного подзаряда батареи, опираясь на широко применяемый в электротранспорте принцип рекуперации энергии.

Для этого в рассмотренный выше первый вариант ТОРНа введен разработанный мною (патент РФ N 2040842) узел динамической коррекции зарядного напряжения, функцией которого является выявление режима замедления и соответствующее увеличение тока возбуждения генератора, что обеспечивает дополнительный подзаряд аккумулятора. Наибольший эффект достигается в автомобилях с системой ЭПХХ (о том как повысить эффективность этой системы примерно на порядок – предмет следующей статьи ), в которых дополнительный заряд батарея получает при полном прекращении расхода топлива, а энергия для привода генератора отбирается через двигатель и трансмиссию от ведущих колес. В момент окончания режима замедления узел динамической коррекции восстанавливает оптимальный уровень напряжения, однако, в силу ограниченной мощности потребителей электроэнергии, дополнительный заряд расходуется некоторое время, обеспечивая плавное снижение напряжения в бортовой сети до оптимального уровня. В этот интервал времени, длительность которого пропорциональна продолжительности предшествующего замедления и обратно пропорциональна мощности включенных потребителей электроэнергии, ТОРН отключает обмотку возбуждения генератора, а все потребители питаются "бесплатной" энергией от аккумулятора. Ясно, что на этапе ускорения, следующего непосредственно за замедлением, прекращение отбора мощности двигателя генератором позволяет на некоторое время увеличить долю мощности, передаваемой в трансмиссию на 2…4 л.с.! (определяется суммарной мощностью всех включенных потребителей электроэнергии с учетом КПД генератора и клиноременной передачи) При неуклонном росте количества и мощности потребителей электроэнергии в автомобиле и соответствующем росте мощности генератора (от 550 ВА для ВАЗ-2101 до 1100 ВА для ВАЗ-2110) эффект улучшения динамических и топливных характеристик автомобиля от использования данного варианта ТОРН может оказаться весьма заметным.

Более чем шестилетняя эксплуатация нескольких сотен экземпляров ТОРН с динамической коррекцией подтвердила выполнение энергетического баланса, так как доливать воду в среднем приходилось раз в два года, а попытки зимой подзарядить батарею от автоматического зарядного устройства приводили к его отключению уже через 20-30 минут. Показателем более полного заряда аккумулятора также явилось повышение плотности электролита и заметное облегчение пуска двигателя зимой.
Кстати, наличие узла динамической коррекции предоставляет еще одну полезную возможность для поддержания высокой степени заряженности аккумулятора в условиях коротких пробегов и частых пусков двигателя или при большом количестве дополнительных потребителей электроэнергии (длительная езда с включенными фарами, мощная магнитолла, кондиционер и т.п). Проблема хронического недозаряда решается установкой в салоне тумблера, с помощью которого на вход узла динамической коррекции подается требуемое напряжение. Забегая вперед, отмечу, что есть два варианта узлов динамической коррекции: один срабатыват при подаче на его вход напряжения питания, а второй - при соединении с массой. Таким образом, щелкнув тумблером в любой момент можно поднять или снизить зарядное напряжение на 0,7...0,9 В. Разумеется, автоматическое повышение зарядного напряжения на этапах замедления сохраняется (без суммирования обеих добавок!).

Примечание. Если у Вас появились сомнения в обоснованности моих рассуждений, знайте, что в этом Вы не одиноки. Прошло 10 лет после опубликования этой статьи, прежде чем одна из самых продвинутых фирм в мире моторов –BMW представила «свое видение» перспектив совершенствования алгоритмов управления генератором. В том же журнале «За рулем» (№ 7, 2006, стр. 207) в рубрике «ТЕНДЕНЦИИ. НОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ BMW» я наткнулся на заметку, описывающей суть их революционного подхода. Цитата: «Электрони­ка поддерживает заряд бата­реи на уровне не ниже 80%, а генератор работает в основ­ном при торможении двигате­лем. На разгоне он отключает­ся, снимая лишнюю нагрузку с двигателя и улучшая дина­мику. Впрочем, если баланс потребителей не в пользу ак­кумулятора, генератор будет работать и при равномерном движении». Вам это ничего не напоминает? Полный текст заметки можно посмотреть здесь.