Пристрій для швидкої зарядки Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів

  • Час 2-10-2015, 14:58
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

Описуване у статті пристрій призначений для прискореної зарядки батарей Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів експоненціально зменшується струмом. До його переваг можна віднести можливість вибору часу зарядки в межах від 45 хв до 3 год, простоту виготовлення і налагодження, відсутність нагріву акумуляторів в кінці зарядки, можливість візуального контролю процесу зарядки, автоматичне відновлення процесу при відключенні і подальшому включенні електроживлення, зручність користування. Пристрій можна використовувати в якості стенду для зняття зарядно-розрядних характеристик акумуляторів.

При зарядці великим незмінним струмом (0,5 і більше, де Е - ємність акумулятора акумулятор починає нагріватися після 75...80%-ного заряду, причому Ni-MH акумулятори нагріваються більше, ніж Ni-Cd [1]. Після повної зарядки акумулятора температура прискорено зростає [1], і якщо цей процес своєчасно не зупинити, то він завершується запалюванням або вибухом акумулятора. Рекомендована температура припинення зарядки - +45 °С [2]. Однак цей критерій годиться тільки як аварійний: поєднання перезарядки з перегрівом знижує ємність акумулятора і, отже, скорочує термін його служби.

Досягнення певної напруги на акумуляторі також не є задовільним критерієм закінчення процесу. Справа в тому, що його значення, що відповідає повній зарядці, заздалегідь невідомо, так як залежить від температури і "віку" акумулятора. Помилка в декілька мілівольт призводить до того, що зарядка акумулятора ніколи не закінчиться або завершиться занадто рано [3].

При зарядці незмінним струмом легко контролювати заряд - він прямо пропорційний тривалості процесу. Зокрема, його величину можна встановити рівної номінальної ємності акумулятора. Але з плином часу його ємність зменшується і в кінці терміну служби складає приблизно 80 % номіналу. Тому обмеження заряду номінальною місткістю не гарантує відсутності перезарядки і перегріву акумуляторів і, отже, не може бути єдиним критерієм закінчення зарядки.

Самий складний критерій закінчення процесу - момент, коли напруга на акумуляторі досягає максимуму, а потім починає зменшуватися. Максимальна напруга на акумуляторі відповідає повній зарядці, але в [2] показано, що воно є наслідком нагріву акумулятора в процесі відновлення заряду. Величина максимуму дуже мала, особливо у Ni-MH акумуляторів (близько 10 мВ), тому для його виявлення застосовують АЦП або перетворювачі напруги в частоту [2]. При зарядці батареї максимум напруги різних її елементів досягається в різний час, тому бажано контролювати кожен з них окремо. До того ж зустрічаються акумулятори з аномальною зарядної характеристикою, на якій цей максимум відсутній. Інакше кажучи, контроль тільки напруги недостатній, необхідно контролювати і температуру, і величину заряду, пропущеного через батарею.

Таким чином, при зарядці батареї великим незмінним струмом необхідно контролювати кожен її елемент за кількома критеріями, що ускладнює зарядний пристрій. Лише зарядка малим струмом (не більше 0,2 Е) не викликає аварійного перегріву акумуляторів навіть при великій перезарядці. У цьому випадку стан кожного елемента контролювати не потрібно, зарядний пристрій виходить дуже простим, але і недолік очевидний - тривалий час зарядки.

Існують зарядні пристрої, в яких спочатку великий зарядний струм зменшується з плином часу [4-6]. В цьому випадку також не потрібно контролювати стан кожного елемента батареї. Але в цих пристроях відсутній контроль величини заряду, а в якості критерію повної зарядки використовується досягнення певної напруги, що, як згадано вище, не є задовільним.

В [7] описано зарядний пристрій, в якому акумуляторна батарея як конденсатор заряджається від джерела постійної напруги через резистор. У цьому випадку зарядний струм теоретично повинен зменшуватися з плином часу по експоненті з постійною часу, дорівнює добутку еквівалентної ємності акумулятора на опір цього резистора. На практиці ж залежність струму зарядки від часу відрізняється від експоненціальної, так як еквівалентна ємність і вихідний опір джерела змінюються в процесі зарядки. Але навіть якщо знехтувати зазначеним відзнакою, то найважливіший параметр - постійна часу зарядки - невідомий, внаслідок чого неможливий контроль пропущеного через акумулятор заряду. Тому зарядка закінчується знову ж по досягненню певного напруження.

У пропонованому пристрої струм зарядки у формі експоненціально зменшується імпульсу обраний тому, що його легко реалізувати за допомогою найпростішої RC-ланцюга. Завершується він природним чином, у результаті чого відпадає необхідність в таймері, відключати акумулятор після заданого часу, заряд обмежений, навіть якщо акумулятори знаходяться в зарядному пристрої тривалий час. Істотно, що струм зарядки виробляється генератором струму, тому його значення і форма не залежать ні від напруги на акумуляторах, ні від нелінійності їх зарядних характеристик.

В процесі зарядки струм через акумулятори I експоненціально зменшується:
   I = І0ехр(-t/T0), (1)
де t - час; I0 - початковий струм заряджання; Т0 - постійна часу зарядки. При цьому кожен акумулятор отримує заряд q, який оцінюється виразом
   q = І0Т0[1 - ехр(-t/Т0)] = (I0 - I)T0. (2)

Графіки залежностей I і q від часу t представлені на рис. 1.

Пристрій для швидкої зарядки Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів

Рис.1. Залежно I і q від часу t

Видно, що за час 3Т 0 заряд досягає значення 0,95I0T0 і далі наближається до значення І0Т0. Рекомендується вибирати значення I0 і Т0 за формулами
   I0 = пЕ, Т0 = 1 год/n, де n= 1, 2, 3, 4. (3)
Найзручніше значення n = 1. Початковий струм заряджання в цьому випадку дорівнює електроємність Е, час зарядки - 3 ч. (Практично можна залишити акумулятори в зарядному пристрої на ніч, і до ранку вони будуть повністю заряджені). Якщо таке час зарядки занадто велике, значення п збільшують. При n = 2 воно складе 1,5 год при початковому струмі зарядки 2Е. Такий режим придатний для Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів. Збільшення п до 3 зменшує час зарядки до 1 год, але початковий струм заряджання зростає до 3Е. Нарешті, при n = 4 час зарядки скорочується до 45 хв, а початковий струм заряджання збільшується до 4Е. Значення n, дорівнює 3 і 4, допустимі для Ni-Cd акумуляторів, так як їх внутрішній опір мало (менше 0,1 Ом). Що стосується Ni-MH акумуляторів, то їх внутрішній опір в кілька разів більше, тому великий струм може їх розігріти на початку зарядки, що неприпустимо. Значення n більше 4 застосовувати не рекомендується. Можна вибрати I0 на 5% більше, ніж визначений за формулою (3). Тоді точний час зарядки складе 3 год/n, а подальша 5%-ная перезарядка несуттєва.

Принцип дії пристрою ілюструє рис. 2.

Пристрій для швидкої зарядки Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів

Рис.2.

Конденсатор ємністю С1, попередньо заряджений до напруги U0, розряджається через підсилювач струму А1 з вхідним опором Rin і коефіцієнтом підсилення по струму Кі. Струм у вхідному ланцюзі підсилювача Iin визначається виразом
   Iin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (4)

Струм у вихідному ланцюзі підсилювача I = КіІіп заряджає акумуляторну батарею GB1:
   I = КiU0ехр(-t/RinС1)/Rin = SU0 exp(-t/RinС1), (5)
де S = Ki/Rin - крутизна посилення підсилювача, якщо його розглядати як перетворювач напруги в струм. Порівнюючи (2) і (5), маємо
   T0 = RinC1, I0 = KiU0/Rin = SU0. (6)

Зручно вибрати U0 = 1 В, С1 = 1000 мкФ, тоді з (3) випливає, що Rin = 3,6 МОм/n,
   S = пЕ, Кі = SRin = 3600000E. (7)

Наприклад, при Е = 1 Ач і n = 1 повинні бути наступні параметри: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А/В, Кі = 3600000 = 131 дБ.

Принципова схема пристрою зображена на рис. 3. Підсилювач струму, зібраний на ОП DA2.1 і транзисторах VT2 і VT3. Напруга живлення ОУ стабілізоване мікросхемою DA1. Вузол на транзисторі VT1 контролює величину цієї напруги. Коли воно в нормі, цей транзистор відкритий, через обмотку реле К1 тече струм, контакти реле К1.1 замкнуті, світлодіод HL1 світиться, сигналізуючи про нормальну роботу пристрою. Вимикачем SA1 вибирають режим зарядки: постійним струмом (коли його контакти замкнуті) або експоненціально зменшується (коли вони розімкнуті). Резистори R2 і R3 утворюють дільник напруги. Напруга на движку змінного резистора R3 визначає струм зарядки. В режимі "Постійний" ця напруга через резистор R1 і замкнуті контакти реле К1.1 надходить на неінвертуючий вхід ОП. Його вихідний струм підсилюється транзистори VT2, VT3 і встановлюється таким, щоб напруги на резистора R11 і R5 стали однаковими. Коефіцієнт посилення по струму Ki = R5/R11 і при вказаних на схемі номіналах приблизно дорівнює 107, а крутизна перетворення напруги в струм S = 1/R11 = 3 А/В.

Пристрій для швидкої зарядки Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів

Рис.3. Принципова схема пристрою

В режимі "Зменшується" (контакти вимикача SA1 розімкнуті) конденсатор С2 ємністю 1000 мкФ розряджається через резистор R5 з постійною часу, обраної за формулою (3). Експоненціально зменшується струм через цей конденсатор посилюється ОУ DA2.1 і транзистори VT2, VT3 і заряджає акумулятори, підключені до роз'єму Х1 ("Вихід"). Діод VD2 запобігає їх розрядку при відключенні напруги живлення. Амперметр РА1 служить для контролю поточного значення струму зарядки. Конденсатор С5 запобігає самозбудження пристрою. Резистори R4, R8-R10 - струмообмежувальні. Вони захищають ОУ і транзистор VT2 в аварійних ситуаціях, наприклад, при обриві резистора R11 або пробою транзистора VT3, запобігаючи виходу з ладу решти елементів.

При відключенні живлення в режимі зарядки зменшується струмом транзистор VT1 закривається і розмикає контакти реле К1.1, запобігаючи подальшу розряджання конденсатора С2. Світлодіод HL1 гасне, сигналізуючи про відключення живлення. З відновленням харчування транзистор VT1 відкривається, реле К1 замикає контакти До 1.1 і зарядка акумуляторів автоматично продовжується з того значення струму, при якому він був перерваний. Світлодіод HL1 знову спалахує, сигналізуючи про відновлення зарядки. Натисканням на кнопку SB1 можна короткочасно припинити зарядку при знятті зарядних характеристик. При цьому конденсатор С4 запобігає прониканню мережевих наведень на вхід ОУ.

Пристрій зібрано на універсальній друкованій платі і розміщено в корпусі розмірами 310x130x180 мм. Акумулятори типорозміру АА розміщують в жолобі на верхній кришці корпусу. Контактні гнізда виконані у вигляді відрізків стрічки з лудженої жерсті, які притискаються до акумуляторів пружиною від стандартного відсіку для елементів типорозміру АА. Через пружину струм не йде. Слід зазначити, що наявні у продажу пластмасові відсіки придатні лише при струмі, що не перевищує 500 мА. Справа в тому, що струм, протікаючий через контактні пружини, розігріває їх, при цьому нагріваються і акумулятори. Вже при струмі 1 А пружини нагріваються настільки, що розплавляють стінку пластмасового корпусу відсіку, роблячи його подальше використання є неможливим.

Транзистор VT3 встановлений на ребристому тепловідведення з площею поверхні 600 см2, діод VD2 - на пластинчастому тепловідвід площею 50 см2. Резистор R11 складений з трьох з'єднаних паралельно резисторів МЛТ-1 опором 1 Ом. Всі сильноточниє з'єднання виконані відрізками мідного дроту перетином 3 мм2, які припаяні безпосередньо до висновків відповідних деталей.

ОУ К1446УД4А (DA2) можна замінити мікросхемою К1446УД1А чи інший з цих серій, але з двох ОУ потрібно вибрати той, у якого напруга зміщення менше. Другий ОУ може бути використаний у складі термочутливого мосту [8] для аварійного відключення акумуляторів при їх перегрів під час зарядки постійним струмом (при зарядці зменшується струмом перегрів акумуляторів не спостерігалося). У разі використання ОУ інших типів слід мати на увазі, що в даній конструкції харчування його однополярної, тому він повинен бути працездатний при нульовому напрузі на обох входах.

Мікросхема КР1157ЕН601А (DA1) замінима стабілізатором цієї серії з індексом Б, а також мікросхемою серії К1157ЕН602, однак у останньої інша "цоколевка" [9].

Транзистор VT1 - будь-який з серії КП501, VT2 повинен мати статичний коефіцієнт передачі струму бази h 21е не менше 100. Транзистор КТ853Б (VT3) відрізняється тим, що його h 21е перевищує 1000. В якості VT2, VT3 можна використовувати транзистори інших типів, але загальний коефіцієнт посилення по струму повинен перевищувати 100000.

Конденсатор С2, який визначає постійну часу зарядки Т0, повинен мати стабільну ємність, необов'язково дорівнює зазначеній на схемі номінальної, так як необхідне значення Т0 встановлюють при налагодженні підбором резистора R5. Автор використав оксидний конденсатор фірми Jamicon з великим запасом по напрузі (в 25 разів).

Реле К1 - герконова EDR2H1A0500 фірми ЕСЕ з напругою і струмом спрацьовування відповідно 5 і 10 мА. Можлива заміна - реле вітчизняного виробництва КУЦ-1 (паспорт РА4. 362.900).

Амперметр РА1 повинен бути розрахований на максимальний струм зарядки (в авторському варіанті застосовано прилад М4200 на струм 3 А). Запобіжник FU1 - самовідновлюється MF-R300 фірми BOURNS [10].

Налагодження пристрою зводиться до встановлення необхідного значення постійної часу зарядки Т0, обраного за формулою (3). Опір резистора R5 вибирають рівним Rin за формулою (7), вважаючи, що ємність конденсатора С2 точно дорівнює 1000 мкФ. Замість акумуляторів включають цифровий амперметр. Перед увімкненням живлення, як при зарядці акумуляторів, так і при налагоджуванні пристрою, движок змінного резистора R3 переводять у нижнє (за схемою) положення і замикають контакти вимикача SA1 (це необхідно для розрядки конденсатора С2). Потім включають харчування і, переміщаючи движок резистора R3, встановлюють початковий струм I0 близько 1 А. Далі SA1 переводять у положення "Зменшується". Через час Т1 (приблизно дорівнює Т0) вимірюють струм I1. Скориговане значення опору резистора R5* обчислюють за формулою R5* = R5[ln(I0/I1)]. На закінчення встановлюють резистор R5 опором, рівним цього скоригованого значення.

Акумулятори перед заряджанням необхідно розрядити до напруги 1...1.1, щоб виключити їх перезарядку і прояв ефекту пам'яті [2]. Якщо при розрядці акумулятора нагрілися, то перед зарядкою їх слід охолодити до температури навколишнього середовища (0...+30 °С [2]). Перш ніж підключати акумулятори до зарядного пристрою, необхідно переконатися в тому, що воно знеструмлено, движок резистора R3 знаходиться в нижньому (по схемі) положенні, a SA1 - у положенні "Постійний". Далі, дотримуючись полярності, встановлюють акумулятори, включають харчування й з допомогою змінного резистора R3 встановлюють початковий струм I0 за формулою (3). Після цього переводять SA1 в положення "Зменшується", і через час 3Т 0 акумулятори готові до використання.

Для живлення пристрою необхідний джерело напруги від 8 до 24 В, можна нестабілізованого. Одночасно можна заряджати від одного до десяти елементів. Мінімальна напруга живлення з урахуванням пульсацій повинно складати 2 В на елемент плюс 4 (але в зазначених межах).

Пристрій можна використовувати в якості стенду для зняття не тільки зарядних, але і розрядних характеристик акумуляторів. В останньому випадку досліджуваний акумулятор повинен бути підключений до пристрою зворотної полярності. Напруга на його електродах необхідно постійно контролювати вольтметром. Не слід допускати зміни його полярності, щоб не викликати аварійного руйнування акумулятора. З цієї причини не рекомендується таким чином розряджати батарею з декількох послідовно з'єднаних елементів, так як можна пропустити момент виходу з ладу елемента з найменшою ємністю.

Джерела

  1. Нові види акумуляторів ("За кордоном"). - Радіо, 1998, №1, с. 48, 49.
  2. Трохи про зарядки нікель-кадмієвих акумуляторів ("За кордоном"). - Радіо, 1996, №7, с. 48,49.
  3. Нечаєв В. Експрес зарядка акумуляторів. - Радіо, 1995, №9, с. 52, 53.
  4. Алексєєв С. Зарядні пристрої для Ni-Cd акумуляторів і батарей. - Радіо, 1997, №1, с. 44-46.
  5. Боргів О. Закордонне зарядний пристрій і його аналог на вітчизняних елементах. - Радіо, 1995, №8, с. 42, 43.
  6. Дорофєєв М. Варіант зарядного пристрою. - Радіо, 1993, №2, с. 12, 13.
  7. Ткачов Ф. Розрахунок термочутливого мосту. - Радіо, 1995, №8, с 46.
  8. Бірюков С. Мікросхемние стабілізатори напруги широкого застосування. - Радіо, 1999, №2, с. 69-71.
  9. Самовідновлювальні запобіжники MULTIFUSE фірми BOURNS. - Радіо, 2000, №11, c. 49-51.
Tags

Коментарі до новини