Устройство для быстрой зарядки Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Зарядные устройства, аккумуляторы, гальванические элементы

 Комментарии к статье

Описываемое в статье устройство предназначено для ускоренной зарядки батарей Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов экспоненциально уменьшающимся током. К его достоинствам можно отнести возможность выбора времени зарядки в пределах от 45 мин до 3 ч, простоту изготовления и налаживания, отсутствие нагрева аккумуляторов в конце зарядки, возможность визуального контроля процесса зарядки, автоматическое восстановление процесса при отключении и последующем включении электропитания, удобство пользования. Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов.

При зарядке большим неизменным током (0,5Е и более, где Е - емкость аккумулятора) аккумулятор начинает нагреваться после 75...80%-ного заряда, причем Ni-MH аккумуляторы нагреваются больше, чем Ni-Cd [1]. После полной зарядки аккумулятора температура ускоренно возрастает [1], и если этот процесс вовремя не остановить, то он завершается воспламенением или взрывом аккумулятора. Рекомендуемая температура прекращения зарядки - +45 °С [2]. Однако этот критерий годится только как аварийный: сочетание перезарядки с перегревом снижает емкость аккумулятора и, следовательно, сокращает срок его службы.

Достижение определенного напряжения на аккумуляторе также не является удовлетворительным критерием окончания процесса. Дело в том, что его значение, соответствующее полной зарядке, заранее неизвестно, так как зависит от температуры и "возраста" аккумулятора. Ошибка в несколько милливольт приводит к тому, что зарядка аккумулятора никогда не закончится или завершится слишком рано [3].

При зарядке неизменным током легко контролировать заряд - он прямо пропорционален длительности процесса. В частности, его величину можно установить равной номинальной емкости аккумулятора. Но с течением времени его емкость уменьшается и в конце срока службы составляет примерно 80 % номинала. Поэтому ограничение заряда номинальной емкостью не гарантирует отсутствия перезарядки и перегрева аккумуляторов и, следовательно, не может быть единственным критерием окончания зарядки.

Самый сложный критерий окончания процесса - момент, когда напряжение на аккумуляторе достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Максимальное напряжение на аккумуляторе соответствует полной зарядке, но в [2] показано, что оно является следствием нагрева аккумулятора в процессе восстановления заряда. Величина максимума очень мала, особенно у Ni-MH аккумуляторов (около 10 мВ), поэтому для его обнаружения применяют АЦП или преобразователи напряжения в частоту [2]. При зарядке батареи максимум напряжения разных ее элементов достигается в разное время, поэтому

желательно контролировать каждый из них отдельно. К тому же встречаются аккумуляторы с аномальной зарядной характеристикой, на которой этот максимум отсутствует. Иначе говоря, контроль только напряжения недостаточен, необходимо еще контролировать и температуру, и величину заряда, пропущенного через батарею.

Таким образом, при зарядке батареи большим неизменным током необходимо контролировать каждый ее элемент по нескольким критериям, что усложняет зарядное устройство. Лишь зарядка малым током (не более 0,2Е) не вызывает аварийного перегрева аккумуляторов даже при большой перезарядке. В этом случае состояние каждого элемента контролировать не нужно, зарядное устройство получается очень простым, но и недостаток его очевиден - длительное время зарядки.

Существуют зарядные устройства, в которых первоначально большой зарядный ток уменьшается с течением времени [4-6]. В этом случае также не нужно контролировать состояние каждого элемента батареи. Но в этих устройствах отсутствует контроль величины заряда, а в качестве критерия полной зарядки используется достижение определенного напряжения, что, как упомянуто выше, не является удовлетворительным.

В [7] описано зарядное устройство, в котором аккумуляторная батарея заряжается как конденсатор от источника неизменного напряжения через резистор. В этом случае зарядный ток теоретически должен уменьшаться с течением времени по экспоненте с постоянной времени, равной произведению эквивалентной емкости аккумулятора на сопротивление этого резистора. На практике же зависимость тока зарядки от времени отличается от экспоненциальной, так как эквивалентная емкость и выходное сопротивление источника изменяются в процессе зарядки. Но даже если пренебречь указанным отличием, то важнейший параметр - постоянная времени зарядки - неизвестен, вследствие чего невозможен контроль пропущенного через аккумулятор заряда. Поэтому зарядка оканчивается опять же по достижению определенного напряжения.

В предлагаемом устройстве ток зарядки в форме экспоненциально уменьшающегося импульса выбран потому, что его легко реализовать с помощью простейшей RC-цепи. Завершается он естественным образом, в результате чего отпадает необходимость в таймере, отключающем аккумуляторы по прошествии заданного времени, заряд ограничен, даже если аккумуляторы находятся в зарядном устройстве длительное время. Существенно, что ток зарядки вырабатывается генератором тока, поэтому его значение и форма не зависят ни от напряжения на аккумуляторах, ни от нелинейности их зарядных характеристик.

В процессе зарядки ток через аккумуляторы I экспоненциально уменьшается:

 I = I₀ехр(-t/T₀), (1)
где t - время; I₀ - начальный ток зарядки; Т₀ - постоянная времени зарядки.

При этом каждый аккумулятор получает заряд q, который оценивается выражением

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

Графики зависимостей I и q от времени t представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости I и q от времени t

Видно, что за время 3Т₀ заряд достигает значения 0,95I₀T₀ и далее приближается к значению I₀Т₀.

 Рекомендуется выбирать значения I₀ и Т₀ по формулам

 I₀ = nЕ, Т₀ = 1 ч/n, где n = 1, 2, 3, 4. (3)

Самое удобное значение n = 1. Начальный ток зарядки в этом случае равен электроемкости Е, время зарядки - 3 ч. (Практически можно оставить аккумуляторы в зарядном устройстве на ночь, и к утру они будут полностью заряжены). Если такое время зарядки слишком велико, значение п увеличивают. При n = 2 оно составит 1,5ч при начальном токе зарядки 2Е. Такой режим пригоден для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Увеличение п до 3 уменьшает время зарядки до 1 ч, но начальный ток зарядки возрастает до 3Е. Наконец, при n = 4 время зарядки сокращается до 45 мин, а начальный ток зарядки увеличивается до 4Е. Значения n, равные 3 и 4, допустимы для Ni-Cd аккумуляторов, так как их внутреннее сопротивление мало (менее 0,1 Ом). Что касается Ni-MH аккумуляторов, то их внутреннее сопротивление в несколько раз больше, поэтому большой ток может их разогреть в начале зарядки, что недопустимо. Значения n больше 4 применять не рекомендуется. Можно выбрать I₀ на 5% больше, чем определенный по формуле (3). Тогда точное время зарядки составит 3 ч/n, а дальнейшая 5%-ная перезарядка несущественна.

Принцип действия устройства иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2.

Конденсатор емкостью С1, предварительно заряженный до напряжения U₀, разряжается через усилитель тока А1 с входным сопротивлением Rin и коэффициентом усиления по току Кi. Ток во входной цепи усилителя Iin определяется выражением

Iin = U₀exp(-t/RinC1)/Rin. (4)

Ток в выходной цепи усилителя I = КiIin заряжает аккумуляторную батарею GB1:

 I = КiU₀ехр(-t/RinС1)/Rin = SU₀ exp(-t/RinС1), (5)
где S = Ki/Rin - крутизна усиления усилителя, если его рассматривать как преобразователь напряжения в ток. Сравнивая (2) и (5), имеем
 T₀ = RinC1, I₀ = KiU₀/Rin = SU₀. (6)

Удобно выбрать U₀ = 1 В, С1 = 1000 мкФ, тогда из (3) следует, что Rin = 3,6 МОм/n

 S = nЕ, Кi = SRin = 3600000E. (7)

Например, при Е = 1 Ач и n = 1 должны быть следующие параметры: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А/В, Кi = 3600000 = 131 дБ.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 3. Усилитель тока собран на ОУ DA2.1 и транзисторах VT2 и VT3. Напряжение питания ОУ стабилизировано микросхемой DA1. Узел на транзисторе VT1 контролирует величину этого напряжения. Когда оно в норме, этот транзистор открыт, через обмотку реле К1 течет ток, контакты реле К1.1 замкнуты, светодиод HL1 светится, сигнализируя о нормальной работе устройства. Выключателем SA1 выбирают режим зарядки: постоянным током (когда его контакты замкнуты) или экспоненциально уменьшающимся (когда они разомкнуты). Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения. Напряжение на движке переменного резистора R3 определяет ток зарядки. В режиме "Постоянный" это напряжение через резистор R1 и замкнутые контакты реле К1.1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Его выходной ток усиливается транзисторами VT2, VT3 и устанавливается таким, чтобы напряжения на резисторах R11 и R5 стали одинаковыми. Коэффициент усиления по току Ki = R5/R11 и при указанных на схеме номиналах примерно равен 10⁷, а крутизна преобразования напряжения в ток S = 1/R11 = 3 А/В.

Рис. 3. Принципиальная схема устройства

В режиме "Уменьшающийся" (контакты выключателя SA1 разомкнуты) конденсатор С2 емкостью 1000 мкФ разряжается через резистор R5 с постоянной времени, выбранной по формуле (3). Экспоненциально уменьшающийся ток через этот конденсатор усиливается ОУ DA2.1 и транзисторами VT2, VT3 и заряжает аккумуляторы, подключенные к разъему Х1 ("Выход"). Диод VD2 предотвращает их разрядку при отключении напряжения питания. Амперметр РА1 служит для контроля текущего значения тока зарядки. Конденсатор С5 предотвращает самовозбуждение устройства. Резисторы R4, R8-R10 - токоограничительные. Они защищают ОУ и транзистор VT2 в аварийных ситуациях, например, при обрыве резистора R11 или пробое транзистора VT3, предотвращая выход из строя остальных элементов.

При отключении питания в режиме зарядки уменьшающимся током транзистор VT1 закрывается и реле размыкает контакты К1.1, предотвращая дальнейшую разрядку конденсатора С2. Светодиод HL1 гаснет, сигнализируя об отключении питания. С восстановлением питания транзистор VT1 открывается, реле К1 замыкает контакты К 1.1 и зарядка аккумуляторов автоматически продолжается с того значения тока, при котором он был прерван. Светодиод HL1 снова загорается, сигнализируя о возобновлении зарядки. Нажатием на кнопку SB1 можно кратковременно прекратить зарядку при снятии зарядных характеристик. При этом конденсатор С4 предотвращает проникание сетевых наводок на вход ОУ.

Устройство собрано на универсальной печатной плате и размещено в корпусе размерами 310x130x180 мм. Аккумуляторы типоразмера АА размещают в желобе на верхней крышке корпуса. Контактные гнезда выполнены в виде отрезков ленты из луженой жести, которые прижимаются к аккумуляторам пружиной от стандартного отсека для элемента типоразмера АА. Через пружину ток не идет. Следует отметить, что имеющиеся в продаже пластмассовые отсеки пригодны лишь при токе, не превышающем 500 мА. Дело в том, что ток, протекающий через контактные пружины, разогревает их, при этом нагреваются и аккумуляторы. Уже при токе 1 А пружины нагреваются настолько, что расплавляют стенку пластмассового корпуса отсека, делая его дальнейшее использование невозможным.

Транзистор VT3 установлен на ребристом теплоотводе с площадью поверхности 600 см², диод VD2 - на пластинчатом теплоотводе площадью 50 см². Резистор R11 составлен из трех соединенных параллельно резисторов МЛТ-1 сопротивлением 1 Ом. Все сильноточные соединения выполнены отрезками медного провода сечением 3 мм², которые припаяны непосредственно к выводам соответствующих деталей.

ОУ К1446УД4А (DA2) можно заменить микросхемой К1446УД1А или другой из этих серий, но из двух ОУ нужно выбрать тот, у которого напряжение смещения меньше. Второй ОУ может быть использован в составе термочувствительного моста [8] для аварийного отключения аккумуляторов при их перегреве во время зарядки постоянным током (при зарядке уменьшающимся током перегрев аккумуляторов не наблюдался). В случае использования ОУ других типов следует иметь в виду, что в данной конструкции питание его однополярное, поэтому он должен быть работоспособен при нулевом напряжении на обоих входах.

Микросхема КР1157ЕН601А (DA1) заменима стабилизатором этой серии с индексом Б, а также микросхемой серии К1157ЕН602, однако у последней иная "цоколевка" [9].

Транзистор VT1 - любой из серии КП501, VT2 должен иметь статический коэффициент передачи тока базы h_21Э не менее 100. Транзистор КТ853Б (VT3) отличается тем, что его h_21Э превышает 1000. В качестве VT2, VT3 можно использовать транзисторы других типов, но общий коэффициент усиления по току должен превышать 100000.

Конденсатор С2, задающий постоянную времени зарядки Т₀, должен иметь стабильную емкость, необязательно равную указанной на схеме номинальной, так как требуемое значение Т₀ устанавливают при налаживании подбором резистора R5. Автор использовал оксидный конденсатор фирмы Jamicon с большим запасом по напряжению (в 25 раз).

Реле К1 - герконовое EDR2H1A0500 фирмы ЕСЕ с напряжением и током срабатывания соответственно 5 В и 10 мА. Возможная замена - реле отечественного производства КУЦ-1 (паспорт РА4. 362.900).

Амперметр РА1 должен быть рассчитан на максимальный ток зарядки (в авторском варианте применен прибор М4200 на ток 3 А). Предохранитель FU1 - самовосстанавливающийся MF-R300 фирмы BOURNS [10].

Налаживание устройства сводится к установке необходимого значения постоянной времени зарядки Т₀, выбранного по формуле (3). Сопротивление резистора R5 выбирают равным Rin по формуле (7), полагая, что емкость конденсатора С2 точно равна 1000 мкФ. Вместо аккумуляторов включают цифровой амперметр. Перед включением питания, как при зарядке аккумуляторов, так и при налаживании устройства, движок переменного резистора R3 переводят в нижнее (по схеме) положение и замыкают контакты выключателя SA1 (это необходимо для разрядки конденсатора С2). Затем включают питание и, перемещая движок резистора R3, устанавливают начальный ток I₀ около 1 А. Далее SA1 переводят в положение "Уменьшающийся". Через время Т₁ (примерно равное Т₀) измеряют ток I₁. Скорректированное значение сопротивления резистора R5* вычисляют по формуле R5* = R5[ln(I₀/I₁)]. В заключение устанавливают резистор R5 сопротивлением, равным этому скорректированному значению.

Аккумуляторы перед зарядкой необходимо разрядить до напряжения 1...1.1 В, чтобы исключить их перезарядку и проявление эффекта памяти [2]. Если при разрядке аккумуляторы нагрелись, то перед зарядкой их следует охладить до температуры окружающей среды (0...+30 °С [2]). Прежде чем подключать аккумуляторы к зарядному устройству, необходимо убедиться в том, что оно обесточено, движок резистора R3 находится в нижнем (по схеме) положении, a SA1 - в положении "Постоянный". Далее, соблюдая полярность, устанавливают аккумуляторы, включают питание и с помощью переменного резистора R3 устанавливают начальный ток I₀ по формуле (3). После этого переводят SA1 в положение "Уменьшающийся", и через время 3Т₀ аккумуляторы готовы к использованию.

Для питания устройства необходим источник напряжения от 8 до 24 В, можно нестабилизированного. Одновременно можно заряжать от одного до десяти элементов. Минимальное напряжение питания с учетом пульсаций должно составлять 2 В на элемент плюс 4 В (но в указанных пределах).

Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия не только зарядных, но и разрядных характеристик аккумуляторов. В последнем случае исследуемый аккумулятор должен быть подключен к устройству в обратной полярности. Напряжение на его электродах необходимо постоянно контролировать вольтметром. Не следует допускать изменения его полярности, чтобы не вызвать аварийного разрушения аккумулятора. По этой причине не рекомендуется таким образом разряжать батарею из нескольких последовательно соединенных элементов, так как можно пропустить момент выхода из строя элемента с наименьшей емкостью.

Литература

1. Новые виды аккумуляторов ("За рубежом"). - Радио, 1998, №1, с. 48, 49.
2. battery-index.com
3. Немного о зарядке никель-кадмиевых аккумуляторов ("За рубежом"). - Радио, 1996, №7, с. 48,49.
4. Нечаев И. Ускоренная зарядка аккумуляторов. - Радио, 1995, №9, с. 52, 53.
5. Алексеев С. Зарядные устройства для Ni-Cd аккумуляторов и батарей. - Радио, 1997, №1, с. 44-46.
6. Долгов О. Зарубежное зарядное устройство и его аналог на отечественных элементах. - Радио, 1995, №8, с. 42, 43.
7. Дорофеев М. Вариант зарядного устройства. - Радио, 1993, №2, с. 12, 13.
8. Ткачев Ф. Расчет термочувствительного моста. - Радио, 1995, №8, с. 46.
9. Бирюков С. Микросхемные стабилизаторы напряжения широкого применения. - Радио, 1999, №2, с. 69-71.
10. Самовосстанавливающиеся предохранители MULTIFUSE фирмы BOURNS. - Радио, 2000, №11, c. 49-51.

Автор: М.Евсиков, г. Москва; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Зарядные устройства, аккумуляторы, гальванические элементы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Умные стекла экономят энергию и снижают выбросы CO2 03.06.2021 На здания приходится 35-40 % потребления первичной энергии и более 30% выбросов CO2. Поэтому столь ценны разнообразные технологии по снижению энергопотребления и сокращению выбросов. Замена неэффективных зон остекления зданий может стать перспективным направлением. Ученые из Университета Касселя (Германия) разработали "умные" стекла. Новое интеллектуальное остекление основано на миллионах микрозеркал, невидимых невооруженным глазом. Они отражают поступающий свет в соответствии с действиями пользователя, положением солнца, сезонной изменчивостью, обеспечивая индивидуальное управление освещением внутри здания. Массив микрозеркал неуязвим для ветра, мытья окон и любых погодных условий, потому что он расположен в пространстве между оконными стеклами, заполненными инертным газом, таким как аргон или криптон. Окна обеспечивают бесплатное солнечное тепло зимой и предотвращают перегрев летом. Также ноу-хау, по мнению специалистов, гарантирует естественный дневной свет, экономию энергии до 35%, сокращение выбросов CO2 до 30 % и 10 % снижение выбросов от использования стали и бетона в многоэтажных зданиях. Помимо проблемы с расходом энергии, искусственное освещение также имеет последствия для здоровья человека. Различные исследования связывают его с недостаточной концентрацией внимания, высокой восприимчивостью к болезням, нарушением биоритмов и бессонницей. "Умное" стекло может снизить зависимость от искусственного освещения и оптимизировать естественное дневное. Сегодня современные системы интеллектуального остекления оптимизированы либо для зимы, либо для лета, а также не в состоянии обеспечить энергосберегающие характеристики круглый год. Потребовалась интеллектуальная автоматическая технология, способная реагировать на местный климат (в любое время дня и время года), использовать имеющийся солнечный свет, регулировать свет и температуру, а также экономить значительные объемы энергии. Исследовательские микрометрические массивы MEMS интегрированы в изоляционное остекление и управляются электронной системой управления. Ориентация зеркал контролируется напряжением между соответствующими электродами. Датчики движения в помещении определяют количество, положение и движение пользователей в помещении.

Другие интересные новости:

▪ Суперхолодный чип

▪ Запрет на перевозку электроники в ручной клади

▪ Деактивация одного белка лечит сердечную недостаточность

▪ Чип 16-Гбит резистивной памяти RRAM

▪ Фотокамера с проектором

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Моделирование. Подборка статей

▪ статья Вампука. Крылатое выражение

▪ статья Действует ли дерево как воздушный фильтр? Подробный ответ

▪ статья Работа на пробопечатных станках. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Обезжиривание овчин и шкурок. Простые рецепты и советы

▪ статья Улица с односторонним движением. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026