Пристрій для швидкого заряджання Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Зарядні пристрої, акумулятори, гальванічні елементи

 Коментарі до статті

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

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

Досягнення певної напруги на акумуляторі також є задовільним критерієм закінчення процесу. Справа в тому, що його значення, яке відповідає повній зарядці, заздалегідь невідоме, оскільки залежить від температури та "віку" акумулятора. Помилка в кілька мілівольт призводить до того, що заряджання акумулятора ніколи не закінчиться або завершиться занадто рано [3].

При зарядці постійним струмом просто контролювати заряд - він прямо пропорційний тривалості процесу. Зокрема, його величину можна встановити рівною номінальною ємністю акумулятора. Але з часом його ємність зменшується і наприкінці терміну служби становить приблизно 80% номіналу. Тому обмеження заряду номінальною ємністю не гарантує відсутності перезаряджання та перегріву акумуляторів і, отже, не може бути єдиним критерієм закінчення заряджання.

Найскладніший критерій закінчення процесу - момент, коли напруга на акумуляторі досягає максимуму, а потім починає зменшуватися. Максимальна напруга на акумуляторі відповідає повній зарядці, але [2] показано, що воно є наслідком нагрівання акумулятора в процесі відновлення заряду. Величина максимуму дуже мала, особливо у Ni-MH акумуляторів (близько 10 мВ), тому для виявлення застосовують АЦП або перетворювачі напруги в частоту [2]. При зарядці батареї максимум напруги різних її елементів досягається у різний час, тому

бажано контролювати кожен із них окремо. До того ж, зустрічаються акумулятори з аномальною зарядною характеристикою, на якій цей максимум відсутній. Інакше висловлюючись, контроль лише 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 декількома критеріями, що ускладнює зарядний пристрій. Лише заряджання малим струмом (не більше 0,2Е) 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 його очевидний - тривалий час заряджання.

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

[7] описано зарядний пристрій, в якому акумуляторна батарея заряджається як конденсатор від джерела постійної напруги через резистор. В цьому випадку зарядний струм теоретично повинен зменшуватися з часом по експоненті з постійної часу, що дорівнює добутку еквівалентної ємності акумулятора на опір цього резистора. Насправді ж залежність струму зарядки іноді відрізняється від експоненціальної, оскільки еквівалентна ємність і вихідний опір джерела змінюються у процесі зарядки. Але навіть якщо знехтувати зазначеною відмінністю, то найважливіший параметр - постійна заряджання часу - невідомий, внаслідок чого неможливий контроль пропущеного через акумулятор заряду. Тому зарядка закінчується знову ж таки після досягнення певної напруги.

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

У процесі заряджання струм через акумулятори I експоненційно зменшується:

 Я = Я₀ехр(-t/T₀), (1)
де t – час; I₀ - Початковий струм зарядки; Т₀ - Постійна час зарядки.

При цьому кожен акумулятор отримує заряд q, що оцінюється виразом

 q = I₀Т₀[1 - ехр(-t/Т₀)] = (I₀ - I) T₀. (2)

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

Рис. 1. Залежності I і q від часу t

Видно, що за час 3Т₀ заряд досягає значення 0,95I₀T₀ і далі наближається до значення I₀Т₀.

 Рекомендується вибирати значення I₀ і Т₀ за формулами

 I₀ = nЕ, Т₀ = 1 год/n, де n = 1, 2, 3, 4. (3)

Найзручніше значення n = 1. Початковий струм зарядки в цьому випадку дорівнює електроємності Е, час зарядки - 3 години. Якщо час заряджання занадто великий, значення п збільшують. При n = 2 воно становитиме 1,5 год при початковому струмі зарядки 2Е. Такий режим підходить для Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів. Збільшення п до 3 зменшує час заряджання до 1 год, але початковий струм зарядки зростає до 3Е. Нарешті, при n = 4 час заряджання скорочується до 45 хв, а початковий струм заряджання збільшується до 4Е. Значення n, рівні 3 і 4, допустимі для Ni-Cd акумуляторів, оскільки їх внутрішній опір мало (менше 0,1 Ом). Що стосується Ni-MH акумуляторів, то їх внутрішній опір у кілька разів більший, тому великий струм може їх розігріти на початку заряджання, 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% перезарядка несуттєва.

Принцип дії пристрою ілюструє рис. 2.

Рис. 2.

Конденсатор ємністю С1 попередньо заряджений до напруги U₀, Розряджається через підсилювач струму А1 з вхідним опором Rin і коефіцієнтом посилення струму Кi. Струм у вхідному ланцюзі підсилювача Iin визначається виразом

Iin = U₀exp(-t/RinC1)/Rin. (4)

Струм у вихідному ланцюзі підсилювача I = КiIin заряджає акумуляторну батарею GB1:

 I = КiU₀ехр(-t/RinС1)/Rin = SU₀ exp(-t/RinС1), (5)
де S = Ki/Rin - крутість підсилення підсилювача, якщо його розглядати як перетворювач напруги в струм. Порівнюючи (2) та (5), маємо
 T₀ = RinC1, I₀ = KiU₀/Rin = SU₀. (6)

Зручно вибрати U₀ = 1, С1 = 1000 мкФ, тоді з (3) випливає, що Rin = 3,6 МОм/n

 S = nЕ, Кi = SRin = 3600000E. (7)

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

Принципова схема пристрою зображено на рис. 3. Підсилювач струму зібраний на ОУ DA2.1 та транзисторах VT2 та VT3. Напруга живлення ОУ стабілізована 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 експоненційно зменшується (коли вони розімкнуті). Резистори R2 і R3 утворюють дільник напруги. Напруга на движку змінного резистора R3 визначає струм зарядки. У режимі "Постійний" ця напруга через резистор R1 і замкнуті контакти реле К1.1 надходить на вхід ОУ, що не інвертує. Його вихідний струм посилюється транзисторами VT2, VT3 і встановлюється таким, щоб напруги на резисторах R11 і R5 стали однаковими. Коефіцієнт посилення струму Ki = R5/R11 і при вказаних на схемі номіналах приблизно дорівнює 10⁷, А крутість перетворення напруги струм S = 1/R11 = 3 А/В.

Рис. 3. Принципова схема пристрою

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

При відключенні живлення в режимі зарядки струмом, що зменшується, транзистор VT1 закривається і реле розмикає контакти К1.1, запобігаючи подальшій розрядці конденсатора С2. Світлодіод HL1 гасне, сигналізуючи про відключення живлення. З відновленням живлення транзистор VT1 відкривається, реле К1 замикає контакти К 1.1 і заряджання акумуляторів автоматично продовжується з значення струму, при якому він був перерваний. Світлодіод HL1 знову спалахує, сигналізуючи про відновлення зарядки. Натисканням кнопки SB1 можна короткочасно припинити зарядку при знятті зарядних характеристик. При цьому конденсатор С4 запобігає проникненню мережних наведень на вхід ОУ.

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

Транзистор VT3 встановлений на ребристому тепловідвід з площею поверхні 600 см², діод VD2 - на пластинчастому тепловідводі площею 50 см². Резистор R11 складається з трьох з'єднаних паралельно резисторів МЛТ-1 опором 1 Ом. Усі сильноточні з'єднання виконані відрізками мідного дроту перетином 3 мм.², які припаяні безпосередньо до висновків відповідних деталей

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

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

Транзистор VT1 - будь-який із 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. Як VT2, VT3 можна використовувати транзистори інших типів, але загальний коефіцієнт посилення струму повинен перевищувати 100000.

Конденсатор С2, що задає постійну час зарядки Т₀, повинен мати стабільну ємність, необов'язково рівну зазначеній на номінальній схемі, так як необхідне значення Т₀ встановлюють під час налагодження підбором резистора R5. Автор використовував оксидний конденсатор фірми Jamicon з великим запасом напруги (в 25 разів).

Реле К1 - герконове 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 має бути розрахований на максимальний струм зарядки (в авторському варіанті застосовано прилад М4200 на струм 3 А). Запобіжник FU1 - MF-R300, що самовідновлюється, фірми BOURNS [10].

Налагодження пристрою зводиться до встановлення необхідного значення постійного часу заряджання Т₀, Вибраного 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 включенням живлення як при зарядці акумуляторів, так і при налагодженні пристрою, двигун змінного резистора R3 переводять в нижнє (за схемою) положення і замикають контакти вимикача SA1 (це необхідно для розрядки конденсатора С2). Потім включають живлення та, переміщуючи двигун резистора R3, встановлюють початковий струм I₀ близько 1 А. Далі SA1 переводять у положення "Зменшується". Через час Т₁ (приблизно рівне Т₀) вимірюють струм I₁. Кориговане значення опору резистора R5* обчислюють за формулою R5* = R5[ln(I₀/I₁)]. На закінчення встановлюють резистор R5 опором, що дорівнює цьому скоригованого значення.

Акумулятори перед заряджанням необхідно розрядити до напруги 1...1.1 В, щоб виключити їх перезаряджання та прояв ефекту пам'яті [2]. Якщо при розрядженні акумулятори нагрілися, перед заряджанням їх слід охолодити до температури навколишнього середовища (0...+30 °С [2]). Перш ніж підключати акумулятори до зарядного пристрою, необхідно переконатися в тому, що він знеструмлений, двигун резистора R3 знаходиться в нижньому (за схемою) положенні, а SA1 - в положенні "Постійний". Далі, дотримуючись полярності, встановлюють акумулятори, включають живлення та за допомогою змінного резистора R3 встановлюють початковий струм I₀ за формулою (3). Після цього переводять SA1 в положення "Зменшується" і через час 3Т₀ акумулятори готові до використання.

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

Пристрій можна використовувати як стенд для зняття не лише зарядних, а й розрядних характеристик акумуляторів. В останньому випадку акумулятор, що досліджується, повинен бути підключений до пристрою в зворотній полярності. Напруга на електродах необхідно постійно контролювати вольтметром. Не слід допускати зміни його полярності, щоб не спричинити аварійного руйнування акумулятора. Тому не рекомендується таким чином розряджати батарею з кількох послідовно з'єднаних елементів, тому що можна пропустити момент виходу з ладу елемента з найменшою ємністю.

література

1. Нові види акумуляторів ("За кордоном"). - Радіо, 1998 №1, с. 48, 49.
2. battery-index.com
3. Небагато про зарядку нікель-кадмієвих акумуляторів ("За кордоном"). - Радіо, 1996 №7, с. 48,49.
4. Нечаєв І. Прискорена зарядка акумуляторів. - Радіо, 1995 №9, с. 52, 53.
5. Алексєєв С. Зарядні пристрої для Ni-Cd акумуляторів та батарей. - Радіо, 1997 №1, с. 44-46.
6. Долгов О. Зарубіжний зарядний пристрій та його аналог на вітчизняних елементах. - Радіо, 1995 №8, с. 42, 43.
7. Дорофєєв М. Варіант зарядного пристрою. - Радіо, 1993 №2, с. 12, 13.
8. Ткачов Ф. Розрахунок термочутливого моста. - Радіо, 1995 №8, с. 46.
9. Бірюков С. Мікросхемні стабілізатори напруги широкого застосування. - Радіо, 1999 №2, с. 69-71.
10. Запобіжники MULTIFUSE фірми BOURNS, що самовідновлюються. - Радіо, 2000 №11, c. 49-51.

Автор: М.Євсіков, м. Москва; Публікація: cxem.net

Дивіться інші статті розділу Зарядні пристрої, акумулятори, гальванічні елементи.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву Акумулятори з торфу 22.10.2021 В Естонії навчилися переробляти природне паливо на компоненти зарядних елементів. Нова технологія може вирішити проблему дорожнечі акумуляторних батарей та зробити крок до доступних електромобілів. Мальовнича Естонія на півночі Європи майже на чверть покрита болотами. Країна дуже багата на родовища торфу. Вчені з університету Тарту навчилися одержувати необхідні для електричних батарей хімічні речовини. "В Естонії дуже багато торфу. Здебільшого ми його не використовуємо. Хоча він годиться як добрива та паливо для обігріву будинків. Цей торф ми пропускаємо через подвійний синтез та виготовляємо з нього вугільний порошок. Який підходить для виробництва натрієвих акумуляторів", - зазначив. професор хімії університету Тарту Енн Луст. "Нам потрібні дешеві засоби для зберігання величезних обсягів електроенергії. Єдиний вихід - це акумулятори. Зокрема, натрій-іонні, які значно дешевші за літієві", - додав Енн Луст. Загальносвітова потреба у літії зростає, і до 2025 року сягне 1 мільйона тонн на рік. Провідні автоконцерни вже анонсували повний чи частковий перехід на виробництво електричних автомобілів із 2025 року. Винахідники закликають владу Естонії інвестувати у перспективний напрямок та виділити кошти на будівництво заводу з виробництва торф'яних акумуляторів. Втім, такі батареї ще мають пройти випробування та довести свою ринкову та виробничу доцільність. Тільки після цього можна буде запустити до масового виробництва доступні акумулятори.

Інші цікаві новини:

▪ Інтегральні радіочастотні мікросхеми ADL537x

▪ Гнучкий та напівпрозорий світлодіод із перовскіту

▪ В'ючний робот

▪ Гнучкий акумулятор

▪ Малювання кольорових картин білим світлом

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Медицина. Добірка статей

▪ стаття Не наша людина. Крилатий вислів

▪ стаття Під час якої війни США були єдиною дружньою Росією державою? Детальна відповідь

▪ стаття Охорона праці інвалідів. Довідник

▪ стаття Простий регулятор потужності навантаження на базі регулятора електродрилі. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Два простих аналогових стабілізатора. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024