Каким током разряжать nimh аккумуляторы – Error 404 — magazinakb.ru

Содержание

Держатели элементов АА. Попытка восстановить емкость отработанных NiCd и NiMh аккумуляторов.

Купил на Али кучку держателей для аккумуляторов (или просто батареек) формата АА… Вещь бывает нужна в хозяйстве, тем более, если собираешь или ремонтируешь какие-либо электронные приборы или гаджеты. Собственно больше то и писать о них было бы нечего (ну только оценить сопротивление контактов, померить длину проводков и оценить на зуб и глаз пластмассу — что будет в обзоре), но наткнулся на одну статью в интернете и родилась идея проверить, можно ли восстановить емкость отработавших свой срок NiCd и NiMh аккумуляторов, которых накопилось в хозяйстве, и выбросить их просто на свалку рука не поднимается, т.к такие элементы нужно сдавать на утилизацию… Что из этого получилось, и вообще получилось ли… Можно узнать прочитав обзор…
Внимание — много фото, трафик!!!

Вот собственно, сама статья, которую я упоминал в оглавлении обзора…

Начал искать еще информацию про восстановление утративших емкость NiCd и NiMh АКБ и поиск привел меня на занимательную статью на английском, которую вы сможете прочитать пройдя по ссылке: batteryuniversity.com/learn/archive/memory_myth_or_fact Не знающие английский могут воспользоваться возможностями автоматического перевода на русский системой Google. Из статьи я вынес главное, что элементы NiCd и NiMh имеют память (у NiCd это очень выражено, у NiMh менее выражено, но все же эффект имеет место), и что бы продлить жизнь им, необходимо разряжать, до определенного напряжения перед зарядкой.

Наверное многие знают об этом, что производитель рекомендует разряжать аккумуляторы до остаточного напряжения 0.9-1В, а только потом ставить на зарядку. Но часто это игнорируется и со временем элементы теряют емкость, в них образуются кристаллы солей кадмия и никеля. И что бы их, хотя бы частично, разбить, нужно разряжать аккумуляторы небольшим током до остаточного напряжения 0.4-0.5В…

Кстати, немного о том, как устроен аккумулятор: Основу любого аккумулятора составляют положительный и отрицательный электроды. Разберем на основе NiCd аккумулятора. Положительный электрод (катод) содержит гидрооксид никеля NiOOH с графитовым порошком (5-8%), а отрицательный (анод) — металлический кадмий Cd в виде порошка.

Аккумуляторы этого типа часто называют рулонными, так как электроды скатаны в цилиндр (рулон) вместе с разделяющим слоем, помещены в металлический корпус и залиты электролитом. Разделитель (сепаратор), увлажненный электролитом, изолирует пластины друг от друга. Он изготавливается из нетканого материала, который должен быть устойчив к воздействию щелочи. Электролитом чаще всего выступает гидрооксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH, способствующего образованию никелатов лития и увеличения емкости на 20%.

Никель-металлогидридные аккумуляторы по своей конструкции являются аналогами никель-кадмиевых аккумуляторов, а по электрохимическим процессам — никель-водородных аккумуляторов. Удельная энергия Ni-MH-аккумулятора значительно выше удельной энергии Ni-Cd- и Ni-Н2-аккумуляторов
Аккумулятор NiMh (Никель-металлогидридный), устроен почти так же как NiCd:

Положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, свернуты в виде рулона, который вставлен в корпус и закрыт герметизирующей крышкой с прокладкой. Крышка имеет предохранительный клапан, срабатывающий при давлении 2-4 МПа в случае сбоя при эксплуатации аккумулятора.

Вооружившись знаниями, я решил попробовать собрать нечто подобное как в статье «Автоматическая разряжалка», и на практике проверить поможет это или нет, восстановить, хотя бы частично, утратившие емкость аккумуляторы… Собрал такое тестовое устройство по схеме приведенной в статье. В статье в качестве индикации была применена лампочка на 1В 75мА, уж не знаю где автор нашел такую. Так же в статье было предложено использовать светодиод, но эта идея не пройдет, поскольку все светодиоды при 1-1.5В не светят… Потому в качестве индикатора был применен амперметр…

Начальный ток разрядки свежезаряженной АКБ составляет 250мА, и постепенно падает. При остаточном напряжении в 1В, ток разряда снижается до 30-40мА, как раз примерно такой ток и нужен, что бы попытаться разбить кристаллы «шлака» в аккумуляторе…
Провел небольшое тестирования «убитого» радиотелефоном Ni-Mh аккумулятора формата ААА, всего было проведено 4 цикла заряда-разряда. Тестирование проводилось таким образом: Аккумулятор был разряжен до рекомендуемого производителем напряжения в 1В и был полностью заряжен при помощи автоматического Зарядного устройства Soshine (спасибо китайцам)

Зарядное устройство считает количество «закаченного» в АКБ заряда, конечно это неправильный способ оценки емкости, т.к нужно измерять емкость АКБ при разряде, а не заряде (в дальнейшем будем измерять емкость правильно), но косвенно можно судить, изменяется или нет емкость «убитого» аккумулятора…

Лирическое отступление

Кстати, на Муське, многие авторы этим «грешат», измеряя емкость аккумуляторов при помощи всеми любимого, «белого доктора»… Измерив «вдуваемый» в аккумулятор заряд, с важным видом рассуждают о емкости батареи, не учитывая, что не всё «вдутое» можно «выдуть» назад, а так же многочисленные потери энергии на саморазряд, нагрев батареи и т.п. Любой обзор девайса имеющего USB порт, считается не полным, если в нем нет фотографии «белого доктора». Китайцы вероятно обогатились на продажах этих супер-устройств для тестирования…))))

Полностью заряженный аккумулятор взял 480мА/ч «заряда» и был поставлен на разрядку в изготовленное разрядное устройство… Отсечка разрядки произошла при остаточном напряжении АКБ при 0.5В… Это значение зависит от параметров транзисторов, использованных в разрядном устройстве… Цикл Заряда-Разряда повторяли 4 раза… Результаты предварительного тестирования привожу ниже:

1- заряд — 680мА/ч

2- заряд — 726мА/ч

3- заряд — 737мА/ч

4- заряд — 814мА/ч

Что ж мы видим положительную динамику… По крайней мере, в аккумулятор входит все больше «заряда», но к сожалению это только косвенная оценка емкости, а что бы оценить точно, нужно разряжать аккумулятор измеряя емкость…
Чем мы и займемся далее))))
Для правильной оценки емкости аккумуляторов было заказано новое Зарядно-разрядное устройство ВМ200 в у китайцев… Оно способно разряжать АКБ и измерять емкость, это будет намного точнее…

Поскольку можно сразу же тестировать 4 АКБ, было решено переделать разряжалку, и сделать её тоже 4-х канальной. Зарядно-разрядное устройство ВМ200 конечно способно самостоятельно разряжать АКБ, но делает она это до остаточного напряжения 0.9В, а это мало, мне необходимо разрядить каждый элемент до 0.4В, потому была найдена схема другого разряжающего устройства в интернете

Я перевел эту схему на современные элементы и размножил до 4-х каналов…
Получилось вот такое разрядное устройство:

Поскольку во всех 4-х каналах, я выставляю одинаковое напряжение отсечки компараторов, то обошелся одним стабилитроном и одним построечным резистором на все четыре канала…
Для желающих повторить, даю ссылку на печатную плату, на ней все элементы подписаны

Вот тут-то мы и дошли до наших держателей для АКБ или батареек… Мне нужно было 4 шт, остальные уйдут «про запас»… Как обычно ссылка уже идет в «никуда», потому я поставил в заголовке аналогичный товар у другого продавца. Под спойлером прикладываю скриншот заказа, а то не поверят, что я заказываю запчасти у китайцев… ))))

Скрин заказа

Пока ко мне на всех парáх, на рикшах китайцы, в поте лица, везут мои 2 посылки, позволю себе короткое лирическое отступление… Обязательно найдутся пару читателей «муськи», которые скажут, что я занимаюсь фигней, тем более изготавливая печатные платы, и вообще надо не париться, а просто выкидывать отслужившие аккумуляторы… Возможно, это и правильно, но у каждого свой путь, кто-то водку пьет, кто-то в баню ходит, ну а мне нравится что-то созидать, пусть даже это кажется кому-то бессмысленным… Главное, что мне это нравится, ну а вам я желаю просто хорошо отдохнуть, читая мой обзор, может быть узнать что-то новое и обсудить это в комментариях, только не доводите споры до «холивара»… )))
Пока ждал посылку, сделал модуль индикации, вместо вольтметра для первого варианта платы, что на двух транзисторах…

развлекаюсь под спойлером

Это все сделано на микросхеме LM3914, практически по типовой схеме с даташита. Питание 5В от какой-то зарядки сотового телефона… На плате есть перемычка, которой можно переключать микросхему из режима «Точка», в режим «Столбик» и обратно…

обратная сторона

Когда горит один красный светодиод, напряжение на АКБ, равно 0.2В, когда горит весь столбик — значит на АКБ 1.2В. Каждый потухший светодиод сообщает, что напряжение на АКБ упало еще на 0.1В… Удобно использовать эту плату в виде вольтметра индикатора с довольно высокой точностью…

Наконец то обе посылки пришли, я не буду описывать распаковку, взвешивание, измерение размеров, ибо и так понятно, что держатели батареек формата АА, чуть больше самих батареек… Вот общий вид держателя.

Пластмасса упругая, держит аккумулятор хорошо, более того, довольно сложно пальцами вытащить батарейку, приходится поддевать каким-либо тонким предметом, отверткой, например.
Проверим сопротивление пружинного контакта. 2 миллиОма…

Длина проводов (красного и черного) около 15 см.

Настроим теперь напряжение отсечки компараторов, это можно сделать на любом канале из четырех. И проверим ток которым будут разряжаться наши аккумуляторы… Подаем на разрядное устройство 5В с какого то источника питания от сотового телефона. Видим что все светодиоды горят. Зеленый сигнализирует, что подключено питание, а красные 4 светодиода нам сообщают, что все компараторы находятся в закрытом состоянии, и разряд не происходит.

Описание процесса настройки и фотографии под спойлером

Присоединяем к первому каналу лабораторный блок питания и даем 1.2В — это напряжение полностью заряженного аккумулятора… Видим, что началась разрядка током 70мА (справа точный амперметр имеющий 4 разряда после запятой)

Обратите внимание, что светодиод первого канала потух, сигнализируя, что началась разрядка в этом канале…

При напряжении на аккумуляторе в 0.5В ток разряда составляет 40мА, в принципе как раз примерно такой ток нам и нужен для успешного разбиения образовавшихся кристаллов…

При напряжении 0.4В компаратор закрывается и разрядка на этом окончена. Обратите внимание, что ток на амперметре стал нулевой

При помощи кримпера (не дешевый, профессиональный, куплен на Али), обжимаем провода в специальные наконечники для разъемов

Получается вот такой обжатый наконечник… Приятно работать профессиональным инструментом, хотя он и не дешев, но удобство и результат стоят того.

Ну что же… все готово, отбираем кандидатов на восстановление емкости. Под номерами 1 и 2 идут NiMh аккумуляторы от электробритвы «Panasonic» изначальная емкость не известна. После 3 лет работы в электробритве полностью заряженных аккумуляторов не стало хватать на один сеанс бритья. Под номерами 3 и 4 NiCd аккумуляторы, изначальная емкость 600мА, отработали свое в электрокардиографе…
Поскольку аккумуляторы долго лежали без использования, сначало необходимо их «взбодрить», это можно сделать на Зарядном устройстве ВМ200 выбрав режим Gharge-Refresh — зарядное устройство проведет 3 цикла разрядки до 0.9В, а затем полная зарядка и так 3 раза. При этом емкость незначительно повышается. Таким образом мы исключим погрешность, незначительного повышения емкости, которая добавится после нескольких циклов «тренировки» долго лежащих без работы аккумуляторов. Тренировка была проведена, по времени заняло примерно 36 часов

Теперь можно приступить к процессу восстановления…

Вставляем все аккумуляторы в зарядное устройство, выбираем режим «Зарядка-Тест»… и ждем… После полной зарядки током 200мА, ЗУ разрядит аккумуляторы до 0.9В током 100мА и посчитает отданную емкость. Будем оперировать ей, как начальной емкостью до восстановления.

Вот под утро зарядное устройство выдало посчитанную емкость аккумуляторов, её будем использовать как начальные значения, Никель-Кадмиевые аккумуляторы потеряли половину своей начальной емкости, Никель-металлогидридные, не известно сколько имели емкости изначально, подозреваю, где-то 1200мАч, но это не важно, нам главное динамика и восстановление емкости.

Ставим все аккумуляторы в разрядное устройство, видим, что все красные светодиоды потухли, во всех четырех каналах началась разрядка аккумуляторов. При постижении остаточного напряжения 0.4В на каждом аккумуляторе, компараторы закроются, и красные светодиоды зажгутся, сигнализируя об окончании разрядки. Это может занять много времени…

Пришел с работы, на разрядном устройстве горят все 4 красных светодиода. На всякий случай замерил вольтметром остаточное напряжение на всех аккумуляторах. Примерно 0.4В на каждом…

Ну что же, начинаем повторять цикл разрядки-зарядки. Долго-нудно, день-ночь. Все тестирование заняло 4 суток. На дисплее ЗУ ВМ200 видна положительная динамика, все больше и больше заряда «входит» в аккумуляторы… Видно что метод работает…)))))

Но точки над i расставит заключительное тестирование емкости аккумуляторов при разряде.
5 циклов зарядки-разрядки прошли… Ставим аккумуляторы на определение емкости, это режим «Gharge-Test»… Ну и вот окончательный результат — вердикт…

Как мы видим, емкость какой была, такой и осталась… Чуда не произошло, хотя все говорило, что аккумуляторы восстанавливаются, т.к. растет «закачиваемая» емкость… Но увы…
На этом месте Муськовчане, имеющие гуманитарное образование, опечалено закрыли обзор и поставили мне жирный минус… Муськовчане, имеющие инженерное образование, похихикали и подумали, что законы физики, химии, старость и старуху с косой никто еще не обманул… И они об этом заранее знали… Но… Есть одно небольшое НО…
Как вы помните, я ранее писал про восстановление аккумуляторов формата ААА от радио телефона, в начале статьи… Аккумуляторы отработали 2 года, и перестали держать заряд. Если снять телефон с зарядки, через 10-15 минут на экране мигал значок разряженной батарейки, и требовал поставить телефон на зарядку. Если его требование игнорировалось, то телефон просто отключался. Это было примерно год назад. После 4-х циклов разряда-заряда, я опять поставил аккумуляторы в телефон, и они уже год как работают в нем, пусть ставить на зарядку телефон приходится немного чаще, чем с новыми аккумуляторами, НО!!! Телефон нормально работает год с восстановленными аккумуляторами!!! Почему и как, я не знаю… Но факт остается фактом…
Теперь вернем заряженные аккумуляторы в бритву «Panasonic»… До восстановления аккумуляторов хватало примерно на 4-5 минут после полной зарядки… Потом бритва неизбежно «умирала»… Ну что же, проверим, поставил аккумуляторы на место… Я побрился… потом еще 25 минут держал бритву включенной… Жужжит, как имеющая новые аккумуляторы… Дальше не стал мучить двигатель… выключил… Чувствую, что мне еще хватит этих аккумуляторов на некоторое время…
Выводы я делать не буду, каждый может сделать их самостоятельно… Спасибо всем, кто дочитал мой обзор до конца…
В завершение обзора, по традиции животное… Животному понравилась пластмасса и сопротивление пружинного контакта, но крайне не понравилась длина проводков… Длинее надо… и шуршун должен быть на конце проводков…

Дополнительная информация

mysku.ru

Тренировка NiMH аккумуляторов. Есть ли смысл? / Habr

Пролог

Началось все с того, что моя фотомыльница наотрез отказалась работать со свежевынутыми из зарядного устройства аккумуляторами — четырьмя NiMH размера АА. Их бы взять, как обычно, да выбросить. Но почему-то в этот раз любопытство возобладало над здравым смыслом (или это может жаба подала голос), и захотелось понять — а нельзя ли из этих батарей выдавить еще хоть чего-нибудь. Фотоаппарат весьма охоч до энергии, но ведь есть и более скромные потребители — мышки беспроводные или клавиатуры, например.

Собственно параметров, интересных потребителю, два — емкость батареи и ее внутреннее сопротивление. Возможных манипуляций тоже немного — разрядить да зарядить. Измеряя в процессе разряда ток и время можно оценить емкость аккумулятора. По разнице напряжения аккумулятора на холостом ходу и под нагрузкой можно оценить внутреннее сопротивление. Повторив цикл разряд-заряд (т. е. выполнив «тренировку») несколько раз, можно понять имеет ли вообще это действо смысл.

Соответственно сформировался такой план — делаем управляемые разрядник и зарядник с возможностью непрерывного измерения параметров процесса, производим над измеренными величинами простые арифметические действия, повторяем процесс нужное число раз. Сравниваем, делаем выводы, выбрасываем наконец аккумуляторы.

Измерительный стенд

Сплошной сборник велосипедов. Состоит из аналоговой части (на схеме ниже) и микроконтроллера. В моем случае интеллектуальной частью был ардуино, хотя это совершенно не принципиально — лишь бы был необходимый набор входов/выходов.

Сделан стенд был из того, что нашлось в радиусе трех метров. Если кому-то захочется повторить, то вовсе не обязательно в точности следовать схеме. Выбор параметров элементов может быть весьма широким, далее я это немного прокомментирую.

Блок разряда представляет собой управляемый стабилизатор тока на ОУ IC1B (LM324N) и полевом транзисторе Q1. Транзистор практически любой, лишь бы хватило допустимых напряжений, токов и рассеиваемой мощности. А они тут все небольшие. Резистор обратной связи и одновременно часть нагрузки (вместе с Q1 и R20) для аккумулятора — R1. Его максимальная величина должна быть такой, чтобы обеспечить требуемый максимальный ток разряда. Если исходить из того, что разряжать аккумулятор можно до 1 В, то для обеспечения тока разряда, например, в 500 мА резистор R1 не должен быть больше 2 Ом. Управляется стабилизатор трехбитным резистивным ЦАП (R12-R17). Тут расчет такой — напряжение на прямом входе ОУ равно напряжению на R1 (которое пропорционально току разряда). Меняем напряжение на прямом входе — меняется ток разряда. Для масштабирования выхода ЦАП к нужному диапазону имеется подстроечный резистор R3. Лучше, чтобы он был многооборотный. Номиналы R12-R17 могут быть любыми (в районе десятков килоом), главное, чтобы выполнялось соотношение их величин 1/2. Особой точности от ЦАП не требуется, поскольку ток разряда (напряжение на R1) в процессе измеряется непосредственно инструментальным усилителем IC1D. Его коэффициент усиления равен K=R11/R10=R9/R8. Выход подается на АЦП микроконтроллера (А1). Изменением номиналов R8-R11 усиление можно подогнать к желаемому. Напряжение на батарее измеряется вторым усилителем IC1C, K=R5/R4=R7/R6. Зачем управление током разряда? Дело тут в основном вот в чем. Если разряжать постоянным большим током, то ввиду большого внутреннего сопротивления у изношенных батарей минимально допустимое напряжение 1 В (а другого ориентира для прекращения разряда нет) будет достигнуто раньше, чем аккумулятор на самом деле разрядится. Если разряжать постоянным малым током, то процесс растянется слишком надолго. Поэтому разряд ведется ступенчато. Восьми ступеней мне показалось достаточно. Если охота больше/меньше, то можно изменить разрядность ЦАП. Кроме того, включая-выключая нагрузку, можно прикинуть внутреннее сопротивление аккумулятора. Думаю, что дальнейших пояснений алгоритм работы контроллера при разряде не требует. По окончании процесса Q1 оказывается заперт, батарея полностью отключается от нагрузки, а контроллер включает блок заряда.

Блок заряда. Тоже стабилизатор тока, только неуправляемый, зато отключаемый. Ток задается источником опорного напряжения на IC2 (2.5 В, точность 1% согласно даташиту) и резистором R21. В моем случае ток заряда был классическим — 1/10 от номинальной емкости аккумулятора. Резистор обратной связи — R20. Источник опорного напряжения можно использовать любой другой — на ваш вкус и наличие деталей. Транзистор Q2 работает в более жестком режиме, чем Q1. Ввиду заметной разницы между напряжением Vcc и напряжением батареи на нем рассеивается заметная мощность. Это плата за простоту схемы. Но радиатор спасает положение. Транзистор Q3 служит для принудительного запирания Q2, т. е. для отключения блока заряда. Управляется сигналом 12 микроконтроллера. Еще один источник опорного напряжения (IC3) нужен для работы АЦП контроллера. От его параметров зависит точность измерений нашего стенда. Светодиод LED1 — для индикации состояния процесса. В моем случае он не горит в процессе разряда, горит при заряде и мигает, когда цикл закончен.
Напряжение питания выбирается таким, чтобы обеспечить открытие транзисторов и работу их в нужных диапазонах. В данном случае у обоих транзисторов напряжение отпирания затвора довольно велико — порядка 2-4 В. Кроме того, Q2 «подперт» напряжением батареи и R20, поэтому отпирающее напряжение на затворе стартует примерно от 3,5-5,5 В. В свою очередь LM323 не может поднять напряжение на выходе выше Vcc минус 1,5 В. Поэтому Vcc должно быть достаточно велико и в моем случае равно 9 В.

Алгоритм управления зарядом ориентировался на классический вариант контроля момента начала падения напряжения на батарее. Однако на деле оказалось все не совсем так, но об этом позже.
Все измеряемые величины в процессе «исследований» писались в файл, потом производились расчеты и строились графики.

Думаю, что с измерительным стендом все ясно, поэтому перейдем к результатам.

Результаты измерений

Итак, имеем заряженные (но неработающие) батареи, которые разряжаем и измеряем запасенную емкость, а заодно и внутреннее сопротивление. Выглядит это примерно так.

Графики в осях время, часы (X) и мощность, Вт (Y) для лучшей и худшей из батарей. Видно, что запасенная энергия (площадь под графиками) существенно разная. В числовом выражении измеренная емкость аккумуляторов составила 1196, 739, 1237 и 1007 мА*ч. Не густо, учитывая, что номинальная емкость (которая указана на корпусе) — 2700 мА*ч. И разброс весьма велик. А что же внутреннее сопротивление? Оно составило 0.39, 0.43, 0.32 и 0.64 Ом соответственно. Ужасно. Понятно почему мыльница отказывалась работать — батареи просто не в состоянии отдать большой ток. Ну что ж, приступим к тренировке.

Цикл первый. Опять отдаваемые мощности лучшей и худшей батареи.

Прогресс виден невооруженным глазом! Числа это подтверждают: 1715, 1444, 1762 и 1634 мА*ч. Внутреннему сопротивлению тоже похорошело, но очень неравномерно — 0.23, 0.40, 0.1, 0.43 Ом. Казалось бы есть шанс. Но увы — дальнейшие циклы разряда/заряда ничего не дали. Значения емкости, как и внутреннего сопротивления, изменялись от цикла к циклу в пределах около 10%. Что лежит где-то недалеко от пределов точности измерений. Т.е. длительная тренировка, во всяком случае для моих аккумуляторов, ничего на дала. Но зато стало ясно, что батареи сохранили больше половины емкости и вполне еще поработают на малом токе. Хоть какая-то экономия в хозяйстве.

Теперь хочу немножко остановиться на процессе заряда. Возможно мои наблюдения будут полезны кому-то, кто соберется конструировать интеллектуальное зарядное устройство.
Вот типичный график заряда (слева шкала напряжения на аккумуляторе в вольтах).

После начала заряда наблюдается провал напряжения. В разных циклах он может быть больше или меньше по глубине, немного разной длительности, иногда отсутствует. Далее в течение примерно 10 часов идет равномерный рост и затем выход почти на горизонтальное плато. Теория гласит, что при малом токе заряда не наблюдается падение напряжения в конце заряда. Я набрался терпения и все-таки дождался этого падения. Оно мало (на графике на глаз почти и не заметно), ждать его нужно очень долго, но оно всегда есть. После десяти часов заряда и до спада напряжение на батарее хоть и растет, но крайне незначительно. На итоговом заряде это почти не сказывается, каких-то неприятных явлений типа нагрева батареи не наблюдается. Таким образом при конструировании слаботочных зарядных устройств снабжать их интеллектом никакого смысла нет. Достаточно таймера на 10-12 часов, причем никакой особой точности при этом не требуется.

Однако такая идиллия была нарушена одним из элементов. Примерно через 5-6 часов заряда возникали весьма заметные колебания напряжения.

Сначала я было списал это на конструктивный недостаток моего стенда. На фото видно, что собрано все было навесным монтажом, а контроллер подключен довольно длинными проводами. Однако повторные эксперименты показали, что такая ерунда стабильно возникает с одним и тем же аккумулятором и никогда не возникает с другими. К своему стыду причину такого поведения я не нашел. Тем не менее (и на графике это хорошо видно) среднее значение напряжение растет так, как надо.

Эпилог

В итоге имеем четыре аккумулятора, которым точными научными методами найдена экологическая ниша. Имеем разочарование в возможностях процесса тренировки. И имеем один необъясненный эффект, возникающий при заряде.
На очереди батарейка побольше — автомобильный аккумулятор. Но там нагрузочные резисторы на пару порядков мощнее надо. Где-то едут по просторам Евразии.

На этом все. Спасибо за внимание.

habr.com

Как заряжать NiMH аккумуляторы правильно

NiMH означает «никель-металлогидрид». Правильная зарядка является ключом к поддержанию производительности и долговечности. Данную технологию нужно знать для того, чтобы заряжать NiMH. Восстановление NiMH-элементов — достаточно сложный процесс, потому что пик напряжения и последующее падение меньше, а следовательно, показатели определяются сложнее. Чрезмерная зарядка приводит к перегреву и повреждению элемента, после чего теряется емкость с последующей утратой функциональности.

Устройство и принцип работы

Батарея — электрохимическое устройство, в котором электрическая энергия преобразуется и сохраняется в химической форме. Химическая энергия легко преобразуется в электрическую. NiMH работает по принципу, основанному на поглощении, высвобождении и переносе водорода внутри двух электродов.

Батареи NiMH состоят из двух металлических полос, которые выступают в качестве положительных и отрицательных электродов, а также изолирующего сепаратора из фольги между ними. Этот энергетический «бутерброд» наматывается и помещается в аккумуляторную батарею вместе с жидким электролитом. Положительный электрод обычно состоит из никеля, отрицательный — из гидрида металла. Отсюда и название «NiMH», или «никель-металл-гидрид».

Преимущества:

Содержит меньше токсинов и являются экологически чистым, поддаются переработке.
Эффект памяти выше, чем у Ni-Cad.
Гораздо безопаснее, чем литиевые батареи.

Недостатки:

Глубокая разрядка сокращает срок службы и вырабатывает тепло при быстрой зарядке и высокой нагрузке.
Саморазряд больше по сравнению с другими батареями, его нужно учитывать перед тем как заряжать NiMH.
Требуется высокий уровень технического обслуживания. Батарея должна быть полностью разряженной, чтобы предотвратить образование кристаллов в процессе зарядки.
Более дорогостоящий, чем Ni-Cad аккумулятор.

Характеристики заряда/разряда

Никель-металлогидридная ячейка имеет много характеристик, аналогичных NiCd, например, кривую разряда (с учетом дополнительной зарядки), которую может принять батарея. Она нетерпима к перезарядке, вызывающей снижение емкости, что представляет серьезную проблему для разработчиков зарядных устройств.

Характеристики тока, которые необходимы для того, чтобы правильно зарядить аккумулятор NiMH:

Номинальное напряжение — 1.2V.
Удельная энергия — 60-120 Вт-час/кг.
Плотность энергии — 140-300 Вт-час/кг.
Удельная мощность — 250-1000 Вт/кг.
Эффективность зарядки / разрядки — 90%.

Эффективность зарядки никелевых батарей составляет в диапазоне от 100% до 70% от полной емкости. Вначале происходит небольшое повышение температуры, но позже, когда уровень заряда поднимается, КПД падает, выделяя тепло, что требуется учитывать перед тем как заряжать NiMH.

Когда аккумулятор NiCD разряжается до определенного минимума напряжения, а затем заряжается, необходимо принять меры, чтобы уменьшить эффект кондиционирования (примерно каждые 10 циклов зарядки/разрядки), иначе он начнет терять емкость. Для NiMH такое требование не требуется, поскольку эффект для него незначителен.

Тем не менее такой процесс восстановления удобен и для никель-металлогидридных устройств, его рекомендуют учитывать перед тем, как заряжать NiMH аккумуляторы. Процесс повторяют три-пять раз, прежде чем они достигнут полной емкости. Процесс кондиционирования перезаряжаемых батарей гарантирует, что они будут работать долгие годы.

Методы восстановления NiMH

Существует несколько способов зарядки, которые можно использовать с никель-металлогидридными батареями. Они, как и NiCds, требуют источника постоянного тока. Скорость обычно указывается на корпусе ячейки. Она не должна превышать технологические нормы. Пределы границ зарядки четко регламентированы производителями. Перед эксплуатацией батарей нужно четко знать, каким током заряжать NiMH аккумуляторы. Существует несколько методов, которые используются для предотвращения сбоя:

Зарядка по таймеру. Использование времени для определения окончания процесса — самый простой способ. Часто электронный таймер встроен в устройство, хотя многие приборы не имеют этой функции. Подход предполагает, что элемент заряжаются от известного состояния, например, когда он полностью разряжен.
Тепловое обнаружение. Определение конца процесса осуществляется путем наблюдения за температурой элемента. Несмотря на то, что при чрезмерной зарядке устройство нагревается, сложно точно оценить повышение температуры, поскольку в центре батареи она будет намного горячее, чем снаружи.
Обнаружение отрицательного дельта-напряжения. NiMH выявляет падение напряжения (5 мВ). Перед тем как заряжать NiMH аккумуляторы, для надежной фиксации такого падения вводится фильтрация шума, чтобы гарантировать, что «паразитный» датчик и другие шумы не приводят к окончанию зарядки.

Параллельное питание элементов

Параллельная зарядка батарей затрудняет качественное определение окончания процесса. Это связано с тем, что нельзя быть уверенным, что каждая ячейка или пакет имеют одинаковое сопротивление, и поэтому некоторые из них будут потреблять больше тока, чем другие. Это означает, что нужно использовать отдельную цепь зарядки для каждой линии в параллельном блоке. Следует установить, каким током заряжать NiMH, определив балансировку, например, используя резисторы такого сопротивления, что будут доминировать в управлении параметрами.

Современные алгоритмы были разработаны для обеспечения точной зарядки без использования термистора. Эти устройства аналогичны Delta V, но имеют специальные методы измерения для обнаружения полного заряда, обычно включающие некоторый цикл, когда напряжение измеряется по временному интервалу и между импульсами. Для многоэлементных пакетов, если они не находятся в одном и том же состоянии и не сбалансированы по емкости, они могут заполняться по одному за раз, подавая сигнал об окончании этапа.

Чтобы сбалансировать их, потребуется несколько циклов. Когда батарея достигает конца заряда, кислород начинает образовываться на электродах и рекомбинировать на катализаторе. Новая химическая реакция создает тепло, которое легко измеряется термистором. Это самый безопасный способ определения окончания процесса во время быстрого восстановления.

Дешевый способ регенерации

Ночная зарядка — самый дешевый способ зарядки никель-металлогидридной батареи при C/10, что ниже 10% от номинальной емкости в час. Это нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Таким образом, аккумулятор емкостью 100 мАч будет заряжаться при 10 мА в течение 15 часов. Этот метод не требует датчика окончания процесса и обеспечивает полный заряд. Современные элементы имеют катализатор рециркуляции кислорода, который предотвращает повреждение батареи при воздействии электротоком.

Этот метод не может использоваться, если скорость зарядки превышает C/10. Минимальное напряжение, необходимое для полной реакции, зависит от температуры (не менее 1,41 В на элемент при 20 градусах), что нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Продолжительное восстановление не вызывает вентиляции. Оно слегка нагревает батарею. Чтобы сохранить срок службы, рекомендуется использовать таймер с диапазоном от 13 до 15 часов. В зарядном устройстве Ni-6-200 есть микропроцессор, который сообщает о состоянии заряда через светодиод, а также выполняет функцию синхронизации.

Быстротечный процесс заряда

Используя таймер, можно заряжать C/3.33 в течение 5 часов. Это немного рискованно, так как батарея предварительно должна быть полностью разряжена. Один из способов убедиться в том, что этого не произойдет, — автоматическая разрядка аккумулятора, выполняемая зарядным устройством, который затем запускает процесс восстановления на 5 часов. Преимущество этого метода состоит в том, чтобы исключить любую возможность создания негативной памяти батареи.

В настоящее время не все производители выпускают подобные зарядные устройства, но микропроцессорная плата используется, например, в зарядном устройстве C/10 /NiMH-NiCad-solar-charge-controller и может быть легко модифицирован для выполнения разряда. Для рассеивания энергии частично заряженной батареи в течение разумного промежутка времени потребуется блок рассеивания мощности.

Если используется температурный монитор, аккумуляторы NiMH можно заряжать со скоростью до 1C, другими словами, 100% емкости в ампер-часах в течение 1,5 часов. Контроллер заряда батареи PowerStream делает это совместно с платой управления, которая способна измерять напряжение и ток для более сложных алгоритмов. При повышении температуры процесс должен быть прекращен, а при значение dT/dt должен быть установлен на 1-2 градуса в минуту.

Существуют новые алгоритмы, которые используют микропроцессорное управление при использовании сигнала -dV для определения окончания заряда. На практике они работают очень хорошо, поэтому современные устройства используют эту технологию, которая включает в себя процессы включения и выключения для измерения напряжения.

Спецификации адаптера

Важной проблемой является срок службы батарей или общая стоимость периода службы системы. В этом случае производители предлагают устройства с микропроцессорным управлением.

Алгоритм для идеального зарядного устройства:

Мягкий старт. Если температура выше 40 градусов или ниже нуля, начинают с зарядки C/10.
Опция. Если напряжение разряженной батареи выше 1,0 В/элемент, разряжают батарею до 1,0 В/элемент, а затем переходят к быстрой зарядке.
Быстрая зарядка. При 1 градусе, пока температура не достигнет 45 градусов или dT не указывает на полный заряд.
После завершения быстрой зарядки заряжают при C/10 в течение 4 часов, чтобы обеспечить полную зарядку.
Если напряжение заряженного NiMH аккумулятора поднимается до 1,78 В/элемент, прекращают работу.
Если время быстрой зарядки превышает 1,5 часа без перерыва, ее останавливают.

Теоретически подзарядка — это скорость заряда, которая достаточно высока, чтобы держать аккумулятор полностью заряженным, но достаточно низкая, чтобы избежать перезарядки. Определение оптимальной скорости подзарядки для конкретной батареи немного сложно описать, но общепризнанно, что она составляет около десяти процентов от емкости батареи, например, для Sanyo 2500 мАч AA NiMH оптимальная скорость подзарядки — 250 мА или ниже. Ее нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH аккумуляторы.

Процессы повреждения аккумулятора

Наиболее частой причиной преждевременного выхода из строя аккумулятора является перезарядка. Типы зарядных устройств, которые чаще всего вызывают ее, — это так называемые «быстрые устройства» на 5 или 8 часов. Проблема с этими приборами состоит в том, что у них действительно нет механизма контроля процесса.

Большинство из них имеют простую функциональность. Они заряжаются с полной скоростью в течение фиксированного периода времени (обычно пять или восемь часов), а затем отключаются или переключаются на более низкую «ручную» скорость. Если они используются должным образом, то все в порядке. Если они применяются неправильно, то срок службы батареи сокращается несколькими способами:

Если полностью заряженные или частично заряженные батареи вставлены в устройство, оно не может это почувствовать, поэтому полностью заряжает аккумуляторы, для которых оно предназначено. Так, емкость аккумулятора падает.
Другой распространенной ситуацией является прерывание цикла зарядки в процессе. Однако после этого следует повторное подключение. К сожалению, это ведет к повторному запуску полного цикла зарядки, даже если предыдущий цикл практически завершен.

Самый простой способ избежать этих сценариев — использовать интеллектуальное зарядное устройство с микропроцессорным управлением. Оно может определять, когда батарея полностью заряжена, а затем — в зависимости от ее конструкции — либо полностью отключаться, либо переключаться в режим подзарядки.

Умные устройства iMax B6

Для того чтобы заряжать NiMH iMax, понадобится специальное зарядное устройство, так как использование неправильного метода может сделать батарею бесполезной. Многие пользователи считают iMax B6 лучшим выбором для зарядки NiMH. Он поддерживает процесс до 15 ячеистых батарей, а также множество настроек и конфигураций для разных типов аккумуляторов. Рекомендуемое время зарядки не должно превышать 20 часов.

Как правило, производитель гарантирует 2000 циклов зарядки / разрядки от стандартной батареи NiMH, хотя это количество может отличаться по условиям эксплуатации.

Алгоритм работы:

Заряжаем NiMH iMax B6. Необходимо подключить шнур питания к розетке с левой стороны устройства, принимая во внимание форму на конце кабеля, чтобы убедиться, что выполнено правильное подсоединение. Вставляем его до упора и останавливаем нажатие, когда появится звуковой сигнал и приветственное сообщение на экране дисплея.
Используют серебряную кнопку в крайнем левом углу, чтобы просмотреть первое меню и выбрать тип батареи, которую нужно зарядить. Нажатие крайней левой кнопки подтвердит выбор. Кнопка справа будет прокручивать опции: зарядка, разрядка, баланс, быстрая зарядка, хранение и другие.
Две центральные кнопки управления помогут выбрать нужный номер. Нажав крайнюю правую кнопку для входа, можно перейти к настройке напряжения, снова прокручивая с помощью двух центральных кнопок и нажав ввод.
Используют несколько кабелей для подключения аккумулятора. Первый набор выглядит как оборудование для лабораторных проводов. Он часто поставляется в комплекте с зажимами для крокодилов. Розетки для подключения находятся на правой стороне устройства рядом с нижней частью. Их достаточно легко обнаружить. Именно так можно зарядить NiMH с iMax B6.
Затем нужно подключить свободный кабель аккумулятора к концу красного и черного зажимов, создавая замкнутый контур. Это может быть немного рискованно, особенно если пользователь в первый раз выполнит неправильные настройки. Нажимают и удерживают кнопку ввода в течение трех секунд. Затем экран должен информировать о том, что он проверяет батарею, после чего пользователя попросят подтвердить настройку режима.
Во время зарядки аккумулятора можно прокручивать различные экраны дисплея с помощью двух центральных кнопок, которые сообщают информацию о процессе зарядки в различных режимах.

Советы по оптимизации работы с батареями

Самый стандартный совет: полностью разрядить батареи, а затем зарядить их. Хотя это является обработкой «эффекта памяти», в никель-кадмиевых батареях нужно быть осторожным, так как легко повредить их из-за чрезмерной разрядки, что приводит к «обращению полюсов» и к необратимым процессам. В некоторых случаях электроника аккумуляторов выполнена таким образом, что предотвращает негативные процессы, отключаясь до того, как они произойдут, но более простые устройства, например, для фонариков, этого не делают.

Необходимо:

Быть готовым заменить их. Никель-металлогидридные батареи не вечны. После окончания ресурса они перестанут работать.
Купить «умное» зарядное устройство, которое с помощью электроники контролирует процесс и предотвращает перезарядку. Это не только лучше для аккумуляторов, но и потребляет меньше энергии.
Извлечь батарею, когда перезарядка завершена. Ненужное время на устройстве означает, что для его зарядки используется больше «струйной» энергии, поэтому увеличивается износ и расходуется больше энергии.
Не разряжать батареи полностью, чтобы продлить срок их службы. Несмотря на все советы об обратном, полная разрядка фактически сокращает срок их службы.
Хранить NiMH батареи при комнатной температуре в сухом месте.
Избыточное тепло может повредить батареи и привести к их быстрой разрядке.
Рассмотреть возможность использования модели с низким уровнем заряда.

Таким образом, можно подвести черту. Действительно никель-металлогидрид батареи более подготовлены производителем для работы в современных условиях, а правильная зарядка аккумуляторов с применением умного устройства обеспечит их производительность и долговечность.

fb.ru

Методы заряда NiMH аккумуляторов и принципы работы «умных» зарядных устройств

-У большинства посетителей этого сайта есть много вопросов относительно методов заряда никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов. Надеюсь, что в данной статье вы найдёте много ответов на свои вопросы …

За основу взят материал из статьи Ридико Леонида Ивановича

В настоящее время для питания различных портативных электронных устройств используется несколько видов аккумуляторов: никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-Po), литий-фосфатные (Li-Fe, LiFePO4). Но всё чаще производители электроники переходят на использование элементов питания, в основе которых используются литиевые технологии: литий-полимер (Li-Po), литий-ион (Li-ion). Причины такого перехода вполне объяснимы, литиевые аккумуляторы имеют большую удельную емкость, низкий саморазряд, способны отдавать большие токи при разряде. Литий-полимерные аккумуляторы обладают ещё одним преимуществом — технологически их можно изготовить любой формы, аккумулятор может быть сверхплоским, толщиной всего несколько миллиметров. Кроме того Li-Po-аккумулятору можно придать весьма сложную форму, что позволяет применять его в устройствах с ограничениями по габаритным размерам (современные сотовые телефоны, портативные ноутбуки и т.п.) …

К сожалению, литиевые аккумуляторы, выпускаемые различными фирмами (и даже одной фирмой, но для разных моделей устройства) имеют разные размеры и несовместимы между собой. Теряется такое важное качество, как взаимозаменяемость.

С одной стороны, это позволяет создавать более компактные устройства, разрабатывая оптимальный аккумулятор для каждого случая. Но в то же время, это вызывает ряд неудобств. Если, например, требуется второй аккумулятор для того или иного устройства, возникают определенные проблемы: нужно найти точно такой же аккумулятор, той же фирмы, причем, стоимость его будет довольно высокой, поскольку нет предложений от конкурентов. Это же касается и зарядных устройств, для каждого типа аккумулятора нужно иметь свое «фирменное» зарядное устройство. Потребители хотят иметь выбор и часто голосуют кошельком против такого подхода, покупая устройства, работающие на стандартных аккумуляторах размера АА или ААА. Такие аккумуляторы намного дешевле, широко представлены на рынке, а в экстренных случаях могут быть заменены обычными батарейками, которые имеют такой же типоразмер. Как недостаток можно назвать их несколько меньшую удельную емкость и несколько меньшую компактность устройств, использующих такие аккумуляторы. Но есть и важное преимущество — если во всех устройствах используются аккумуляторы типоразмера АА или ААА, достаточно одного зарядного устройства.

Стандартные аккумуляторы

Если вести речь об аккумуляторах форм-фактора АА или ААА, то есть смысл говорить только о NiMH аккумуляторах. Применявшиеся ранее NiCd аккумуляторы встречаются все реже, тем более, что зарядное устройство, спроектированное для работы с NiMH аккумуляторами, будет нормально работать и с NiCd аккумуляторами (но не наоборот!!!). По сравнению с NiCd аккумуляторами, NiMH аккумуляторы имеют на 30-40% большую удельную емкость, меньше страдают эффектом «памяти», не содержат опасного для окружающей среды кадмия. Однако у NiMH аккумуляторов есть и недостатки: они дороже (хотя разница в стоимости постепенно стирается), имеют меньшее количество циклов заряд-разряд (характеристики некоторых аккумуляторов постепенно начинают ухудшаться уже после 200-300 циклов), имеют более высокое внутреннее сопротивление, больший, примерно в полтора раза, саморазряд (это не относится к NiMH аккумуляторам с низким саморазрядом). Даже несмотря на то, что при разряде они могут отдавать значительные токи, разряд током сверх допустимого ведет к уменьшению количества циклов, поэтому большинство производителей рекомендуют не превышать ток 0.5С. Там, где требуются большие разрядные токи, до сих пор используются NiCd аккумуляторы. Технология NiMH аккумуляторов постоянно совершенствуется, и уже сегодня ведущие производители этих аккумуляторов заявляют, что современные модели NiMH аккумуляторов полностью свободны от эффекта «памяти», некоторые аккумуляторы обладают минимальным саморазрядом и даже допускают до 1000-1500 циклов заряд-разряд.

Способы зарядки аккумулятора

В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающая от зарядного устройства, которая накапливается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других — ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами, не опасаясь перегрева аккумулятора. Химические реакции, которые протекают в NiMH аккумуляторе при его зарядке, являются экзотермическими, в отличие от NiCd аккумуляторов, где они эндотермические. Это означает, что КПД зарядки NiMH аккумуляторов ниже, и они более сильно нагреваются в процессе зарядки, что требует более тщательного контроля процесса зарядки.

Скорость зарядки аккумулятора зависит от величины зарядного тока. Ток зарядки обычно измеряют в единицах С, где С — численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1С для аккумулятора емкостью 2500 мА/ч равен 2500 мА. По скорости различают несколько видов зарядки:

капельная зарядка (trickle charge)
быстрая зарядка (quick charge)
ускоренная зарядка (fast charge)

Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1С, быстрая зарядка — током порядка 0.3С, ускоренная зарядка — током 0.5-1.0С. На самом деле принципиальных отличий между быстрой и ускоренной зарядкой нет, они отличаются лишь предпочтительными методами определения конца процесса зарядки. Поэтому есть смысл разделять только два вида зарядки: капельная и быстрая.

К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током большим 0.1С. Принципиальным отличием капельной и быстрой зарядки является то, что при быстрой зарядке зарядное устройство должно автоматически заканчивать процесс, пользуясь определёнными критериями. При капельной зарядке окончание процесса можно не детектировать, а аккумулятор может находиться в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго.

Капельная зарядка

Вопреки существующему мнению капельная зарядка не способствует долгой жизни аккумуляторов. Дело в том, что при капельной зарядке зарядный ток не отключают даже после того, как аккумулятор полностью зарядился. Именно поэтому выбирается малый ток. Считается, что даже если вся энергия, сообщаемая аккумулятору, будет превращаться в тепло, при столь малом токе он не сможет существенно нагреться. Для NiMH аккумуляторов, которые значительно хуже реагируют на перезарядку, чем NiCd, ток капельного заряда рекомендуется не более 0.05С. Для аккумуляторов большей емкости значение тока капельной зарядки больше. Это означает, что в зарядном устройстве, предназначенном для зарядки аккумуляторов большой емкости, аккумуляторы малой емкости будут сильно нагреваться, что сокращает срок их службы. Снижение тока капельной зарядки ведет к увеличению длительности зарядки сверх разумного. Аккумулятор большой емкости, установленный в зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости, может вообще никогда не достичь своего полного заряда, так как с процессом заряда будет конкурировать саморазряд (это относится к популярным в настоящее время аккумуляторам с запредельно высокой ёмкостью 2500-3000mAh). Долго находясь в таких условиях аккумуляторы начинают деградировать, теряя емкость.

При всем желании надежно определить окончание процесса капельной зарядки аккумулятора невозможно. На низких зарядных токах профиль напряжения плоский, практически нет характерного максимума в конце зарядки. Температура также растет плавно. Единственным методом определения является ограничение процесса зарядки по времени. Однако при этом нужно знать не только точную емкость аккумулятора (которая зависит от возраста и состояния аккумулятора), но и величину его начального заряда. Исключить влияние начального заряда можно только одним способом — полностью разрядить аккумулятор перед зарядкой. А это еще больше удлиняет процесс зарядки и сокращает жизнь аккумулятора, которая определяется количеством циклов заряд-разряд. Еще одной помехой при вычислении длительности капельной зарядки является низкий КПД этого процесса. Для капельной зарядки КПД не превышает 75%, более того, КПД зависит от многих факторов, в том числе от температуры и состояния аккумулятора. Единственным преимуществом капельной зарядки является простота реализации (без контроля конца зарядки). В то же время производители NiMH аккумуляторов не рекомендуют пользоваться капельной зарядкой. И только в самое последнее время некоторые производители аккумуляторов специально заявляют, что современные NiMH аккумуляторы не деградируют под воздействием длительной капельной зарядки.

Быстрая зарядка

Большинство производителей NiMH аккумуляторов приводят характеристики своих аккумуляторов для случая быстрой зарядки током 1С. Хотя иногда можно встретить рекомендации не превышать ток свыше 0.75С. Эти рекомендации связаны с опасностью открывания вентиляционных отверстий аккумулятора (такие клапаны имеются на каждом корпусе NiMH аккумулятора) при быстрой зарядке в условиях повышенной температуры окружающей среды. «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости быстрого заряда. Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°С и при напряжении на аккумуляторе 0.8-1.8В. КПД процесса быстрой зарядки очень высок (порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает, и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение. И хотя для современных аккумуляторов взрыва, скорее всего, не последует, просто откроются вентиляционные отверстия, и часть содержимого аккумулятора будет безвозвратно утрачена. Это точно не пойдет на пользу аккумулятору, не говоря уже об изменении внутренней структуры электродов под воздействием высокой температуры. Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора очень важно зарядку вовремя прекратить. К счастью, в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии, по которым зарядное устройство может это сделать.

Алгоритм работы быстрого зарядного устройства состоит из нескольких фаз:

1. Определение наличия аккумулятора
2. Квалификация аккумулятора (Qualification)
3. Пред-зарядка (Pre-charge)
4. Переход к быстрой зарядке (Ramp)
5. Быстрая зарядка (Fast charge)
6. Дозарядка (Top-of Tcharge)
7. Поддерживающая зарядка (Maintenance charge)

Фаза определения наличия аккумулятора

В этой фазе обычно проверяется напряжение на выводах аккумулятора при включенном генераторе зарядного тока примерно 0.1С. Если при этом напряжение оказывается выше 1.8 В, аккумулятор отсутствует или поврежден. В любом случае зарядка начинаться не должна. Как только будет обнаружено меньшее напряжение, делается вывод, что аккумулятор подключен и можно начинать зарядку.

Во всех других фазах зарядки на фоне основных действий должна производиться проверка наличия аккумулятора. Эта необходимость связана с тем, что аккумулятор в любой момент может быть вынут из зарядного устройства. При этом из любой фазы зарядное устройство должно перейти на первую фазу — определение наличия аккумулятора.

Фаза квалификации аккумулятора

Зарядка начинается с фазы квалификации аккумулятора. Эта фаза нужна для грубой оценки начального заряда аккумулятора. Если напряжение на аккумуляторе меньше 0.8В, то быструю зарядку производить нельзя. В таком случае требуется дополнительная фаза пред-зарядки. Если же напряжение больше этой величины, то фаза пред-зарядки пропускается. На практике аккумуляторы в устройствах стараются не разряжают ниже 1.0В. Поэтому фаза пред-зарядки реально никогда не используется, разве что при зарядке глубоко разряженных или долго не бывших в употреблении аккумуляторов.

Фаза пред-зарядки

Эта фаза предназначена для начальной зарядки глубоко разряженных аккумуляторов. Значение тока пред-зарядки выбирается в пределах 0.1-0.3С. Фаза пред-зарядки должна быть ограничена во времени (например, 30 мин). Более длительная пред-зарядка смысла не имеет, так как у исправного аккумулятора напряжение должно довольно быстро достигнуть порогового значения 0.8-0.9В. Если же напряжение не растет, значит аккумулятор поврежден и процесс зарядки нужно прервать с индикацией ошибки.

Во всех длительных фазах зарядки необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Для NiMH аккумуляторов максимально допустимой во время зарядки считают температуру 50-60°С. Как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза перехода к быстрой зарядке

Если напряжение на аккумуляторе выше 0.8 В, то можно начинать быструю зарядку. Сразу включать большой зарядный ток не рекомендуется. Ток нужно плавно повышать в течение 2-4 мин, пока он не достигнет заданного тока быстрой зарядки.

В этой фазе необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Как и во всех других фазах необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза быстрой зарядки

В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.5-1.0С. Основной проблемой при быстрой зарядке является точное определение момента окончания зарядки. Если фазу быстрой зарядки вовремя не прекратить, аккумулятор будет разрушен. Поэтому весьма желательно, чтобы для определения окончания быстрой зарядки использовалось сразу несколько независимых критериев.

Для NiCd аккумуляторов обычно применялся, так называемый, -dV метод (Дельта-Пик метод, англ. – «delta peak»). В процессе зарядки напряжение на аккумуляторе растет, но в самом конце зарядки оно начинает падать. Для NiCd аккумуляторов критерием окончания зарядки являлось снижение напряжения примерно на 30 мВ (на каждый аккумулятор). -dV — самый быстрый метод, он хорошо работает даже с частично заряженными аккумуляторами. Если, например, установить на зарядку полностью заряженный аккумулятор, то напряжение на нем начнет быстро расти, затем довольно резко падать, что вызовет окончание зарядки.

Для NiMH аккумуляторов данный метод работает не столь хорошо, потому что падение напряжения для них менее выражено. При токах зарядки менее 0.5С максимум напряжения вообще может отсутствовать, поэтому зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости, не всегда может определить конец зарядки аккумуляторов большой емкости. При повышенных температурах максимум напряжения также несколько смазывается. Слабое падение напряжения в конце зарядки вынуждает повышать чувствительность, что может привести к досрочному завершению быстрой зарядки из-за помех. Помехи генерируются как самим зарядным устройством, так и проникают из питающей сети. По этой причине не рекомендуется заряжать аккумуляторы в автомобиле, так как бортовая сеть обычно имеет очень высокий уровень помех. Сам аккумулятор тоже является источником шумов. Поэтому при измерении напряжения нужно применять фильтрацию. Надежность метода -dV уменьшается при зарядке батарей последовательно соединенных аккумуляторов, если отдельные аккумуляторы в батарее различаются по степени заряда. При этом пик напряжения для разных аккумуляторов батареи наступает в разные моменты времени, и профиль напряжения смазывается.

Иногда для NiMH аккумуляторов вместо метода -dV используют метод dV=0, когда вместо падения напряжения детектируют плато на профиле напряжения. Критерием конца зарядки в этом случае служит постоянство напряжения на аккумуляторе в течение, например 10 минут. Метод dV=0 можно рассматривать как вариант метода -dV с установленным нулевым порогом изменения напряжения.

Несмотря на все трудности определения конца зарядки методом -dV, именно этот метод большинством производителей NiMH аккумуляторов называется как основной при быстрой зарядке. Типичным значением для изменения напряжения в конце зарядки током 1С является 2.5-12 мВ на один аккумулятор.

Сразу после включения большого зарядного тока напряжение на аккумуляторе может испытывать флуктуации, которые могут быть неверно восприняты как падение напряжения в конце зарядки. Для предотвращения ложного прекращения быстрой зарядки первые 3-10 мин (hold off time) после включения зарядного тока контроль -dV должен быть выключен.

Одновременно с падением напряжения в конце зарядки начинает расти температура и давление внутри аккумулятора. Поэтому конец зарядки можно определить по возрастанию температуры. Устанавливать абсолютный порог температуры для определения момента окончания зарядки не рекомендуется, так как сильное влияние на точность будет оказывать температура окружающей среды. Поэтому чаще используют не саму температуру, а скорость ее изменения dT/dt. Считается, что при зарядном токе 1С процесс зарядки нужно завершать, когда скорость роста температуры dT/dt достигнет 1°С/мин. Нужно отметить, что при токах зарядки менее 0.5С скорость роста температуры почти не меняется и этот критерий использовать нельзя. Ввиду тепловой инерции метод dT/dt склонен вызывать некоторый перезаряд аккумулятора.

Как метод dT/dt, так и метод -dV вызывают некоторый перезаряд аккумулятора, что ведет к снижению срока его службы. Для того, чтобы обеспечить полный заряд аккумулятора, завершение заряда лучше проводить малым током при низкой температуре аккумулятора, так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов заметно падает. Поэтому фазу быстрой зарядки желательно завершать чуть раньше. Существует так называемый inflexion метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. Т.е. быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядке раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Некоторые зарядные устройства используют не постоянный зарядный ток, а импульсный. Импульсы тока имеют длительность около 1 сек, промежуток между импульсами — порядка 20-30 мс. Преимуществом такого метода называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему, меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации. Точных данных по эффективности такого метода нет, во всяком случае вреда он не приносит. С другой стороны, такой способ имеет другие преимущества. В процессе детектирования окончания быстрого заряда необходимо точно измерять напряжение на аккумуляторе. Если измерение проводить под током, то дополнительную погрешность будет вносить сопротивление контактов, которое может быть нестабильным. Поэтому на время измерения зарядный ток желательно отключать. После выключения зарядного тока необходимо сделать паузу 5-10 мс, пока напряжение на аккумуляторе установится. Затем можно производить измерение. Для эффективной фильтрации помех сетевой частоты можно произвести ряд последовательных выборок на интервале 20 мс (один период сетевой частоты) с последующей цифровой фильтрацией.

Идея заряда импульсным током получила дальнейшее развитие. Был разработан метод, который называют FLEX Negative Pulse Charging или Reflex Charging. Этот метод отличается от простого импульсного заряда наличием в промежутках между импульсами тока зарядки импульсов разрядного тока. При длительности импульсов тока зарядки порядка 1 сек. длительность импульсов разрядного тока выбирается порядка 5 мс. Величина разрядного тока больше тока зарядки в 1.0-2.5 раз. Преимуществом такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах (вызывающих эффект «памяти»). Но есть результаты независимой проверки этого метода фирмой General Electric, которые говорят о том, что пользы такой метод не приносит, как впрочем и вреда.

Поскольку правильное определения окончания быстрого заряда является очень важным, хорошее зарядное устройство должно использовать несколько методов определения сразу. Кроме того должны проверяться некоторые дополнительные условия для аварийного прекращения быстрой зарядки. Так в фазе быстрой зарядки необходимо контролировать температуру аккумулятора и прекращать быструю зарядку в случае достижения критического значения. Для быстрой зарядки ограничение по температуре более жесткое, чем для зарядки вообще. Поэтому при достижении температуры +45°С необходимо аварийно прекратить быструю зарядку и перейти на фазу дозарядки меньшим током. Желательно перед продолжением зарядки дождаться остывания аккумулятора, так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов падает.

Еще одним дополнительным условием является ограничение времени быстрой зарядки. Зная ток зарядки, емкость аккумулятора и КПД процесса зарядки можно вычислить время, необходимое для полной зарядки. Таймер быстрой зарядки должен быть установлен на время больше расчетного на 5-10%. Если это время истекло, а ни один из способов детектирования окончания быстрой зарядки не сработал, она аварийно прекращается. Такая ситуация, скорее всего, говорит о неисправности каналов измерения напряжения и температуры.

Кроме того, как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза дозарядки

В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.1-0.3С. При токе дозарядки 0.1 С производители рекомендуют длительность дозарядки 30 мин. Более длительная дозарядка приводит к перезаряду, что увеличивает емкость аккумулятора на 5-6%, но сокращает количество циклов заряд-разряда на 10-20%. Еще одним положительным эффектом дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов в батарее. Те аккумуляторы, которые полностью заряжены, будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла, в то время как другие будут заряжаться. Если фаза дозарядки идет непосредственно после фазы быстрой зарядки, полезно в течение нескольких минут остудить аккумуляторы. С повышением температуры способность аккумулятора принимать заряд существенно падает. Например, при температуре 45°С аккумулятор способен принять только 75% заряда. Поэтому дозарядка, проведенная при комнатной температуре, позволяет получить более полный заряд аккумулятора.

Фаза поддерживающей зарядки

Зарядные устройства, предназначенные для зарядки NiCd аккумуляторов по окончанию процесса зарядки обычно переходят в режим капельного заряда, чтобы поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии. Это приводит к тому, что температура аккумулятора всегда остается повышенной, что уменьшает срок службы аккумулятора. Для NiMH аккумуляторов долго находиться в состоянии капельной зарядки нежелательно, так как эти аккумуляторы плохо переносят перезаряд. По крайней мере ток поддерживающей зарядки должен быть очень низким, чтобы только компенсировать саморазряд. Для NiMH аккумуляторов саморазряд составляет до 15% емкости в первые 24 часа, затем саморазряд снижается и составляет 10-15% в месяц. Для того, чтобы скомпенсировать саморазряд, достаточен средний ток менее 0.005С. Некоторые зарядные устройства включают ток поддерживающей зарядки раз в несколько часов, остальное время аккумулятор отключен. Величина саморазряда сильно зависит от температуры, поэтому еще лучше сделать поддерживающий заряд адаптивным: небольшой ток зарядки включается лишь тогда, когда обнаруживается заданное уменьшение напряжения на аккумуляторе.

В принципе, от фазы поддерживающей зарядки можно вообще отказаться, но если между зарядкой и использованием аккумуляторов проходит время, то непосредственно перед использованием аккумуляторы нужно подзарядить для компенсации саморазряда. Хотя более удобно, если зарядное устройство постоянно поддерживает аккумуляторы в состоянии полной зарядки.

Сверхбыстрый заряд

При заряде до 70% своей емкости КПД зарядки близок к 100%. Это является хорошей предпосылкой для создания сверхбыстрого зарядного устройства. Конечно, увеличивать зарядный ток до бесконечности нельзя. Есть предел, обусловленный скоростью протекания химических реакций. На практике возможно использовать токи до 3С. Для того, чтобы аккумулятор не перегрелся, после достижения 70% заряда ток нужно снизить до уровня обычной быстрой зарядки и контролировать окончание зарядки обычным образом. Задача состоит в том, чтобы надежно контролировать достижение 70% отметки. Надежных методов для этого нет, повышение температуры инерционно, а перегрев укоротит жизнь аккумулятора. Особенно проблематично определение степени заряда в сборке, где могут быть аккумуляторы по-разному разряженные. Еще одной проблемой является подвод к аккумуляторам зарядного тока. При столь высоких токах плохой контакт может вызвать дополнительный нагрев и даже разрушение аккумулятора. И вообще, это весьма рискованное мероприятие, так как при ошибках зарядного устройства возможен взрыв. Нужно ли так спешить?

«Умное» зарядное устройство

Аккумуляторы даже одного форм-фактора могут иметь разную емкость. Например, для NiMH аккумуляторов размера АА в настоящее время характерными являются емкости 1900-2850 мA/ч, а для аккумуляторов размера ААА – 750-1100 мА/ч. Значения же токов зарядки пропорционально ёмкости аккумулятора. Если заряжать менее ёмкий аккумулятор большим током, будет происходить нагрев. Если заряжать аккумулятор меньшим током, возникают неудобства, связанные с увеличением времени зарядки. К тому же, в таких условиях может не работать один из методов определения окончания быстрой зарядки. В идеале зарядное устройство должно иметь возможность выбора зарядного тока в зависимости от используемых аккумуляторов. Однако на практике чаще всего токи устанавливают для типовых аккумуляторов. В настоящее время для аккумуляторов размера АА можно считать средней емкость примерно 2000 мА/ч, а для аккумуляторов ААА — примерно 800 мА/ч.

Нужно отметить, что для аккумуляторов одного форм-фактора с ростом емкости внутреннее сопротивление уменьшается незначительно, как и связанные с ним потери. Поэтому, если ток зарядки устанавливать равным 1С, температура аккумуляторов большей емкости будет выше. Как указывалось ранее, повышенная температура является причиной неполной зарядки. Поэтому для аккумуляторов размера АА можно рекомендовать не превышать ток зарядки 1.5-2А, независимо от их емкости. Иначе нужно применять принудительное охлаждение аккумуляторов во время быстрой зарядки с помощью вентилятора.

Поскольку для аккумуляторов разных размеров используются разные посадочные места с раздельными контактами, для изменения зарядного тока между АА и ААА аккумуляторами никаких дополнительных переключателей обычно не требуется.

Проблема выключения питания зарядного устройства

Если во время зарядки питание зарядного устройства было выключено, при включении должен происходить переход на фазу определения наличия аккумулятора. При этом процесс зарядки начнется сначала, но в силу того, что для определения момента окончания быстрой зарядки используются независимые от общего времени зарядки критерии, быстрый заряд продлится необходимое для полной зарядки время. А вот дозарядка будет повторена полностью, несмотря на то, что она, возможно, уже была частично выполнена. Но это практически не создает проблем, так как аккумуляторы, находящиеся в стадии дозарядки, считаются готовыми к использованию, и их можно вынуть в любой момент. Единственным минусом является перезаряд, который испытывают аккумуляторы при многократной дозарядке. Даже если периодически запоминать в энергонезависимой памяти текущее состояние процесса зарядки, это не решит проблем. Невозможно учесть саморазряд, так как неизвестна продолжительность пребывания зарядного устройства в обесточенном состоянии. К тому же, в обесточенном состоянии аккумуляторы могли быть вынуты или заменены. Полностью эта проблема решена в «умных» Li+ аккумуляторных сборках, которые внутри содержат контроллер, измеряющий величину заряда, сообщаемого аккумулятору или полученного от него. Это позволяет в любой момент точно определять степень заряда аккумулятора.

Тем не менее, одним из требований, предъявляемых к зарядному устройству, является низкий разряд установленных аккумуляторов при отсутствии питания устройства. Ток разряда через цепи обесточенного зарядного устройства не должен превышать примерно 1 мА.

Первичные источники тока

Кроме аккумуляторов в форм-факторе АА и ААА выпускаются первичные источники тока (их называют батарейки, хотя это и не совсем правильно). Основное распространение получили первичные источники двух типов: щелочные (Alkaline) и марганцево-цинковые. Щелочные источники имеют ёмкость в 5-7 раз выше, но они и более дорогие.

При установке первичных источников тока в зарядное устройство с режимом быстрой зарядки возможен взрыв, так как вентиляционные отверстия конструкцией первичных источников тока обычно не предусмотрены. Для устранения такой опасности весьма желательно, чтобы зарядное устройство могло отличать первичные источники тока от аккумуляторов и не включать режим быстрой зарядки в случае установки первых.

Отличий между аккумуляторами и первичными источниками тока относительно немного. Напряжение тех и других может быть одинаковым, в процессе разряда оно находится примерно в одном и том же диапазоне. Единственным отличием является более высокое внутреннее сопротивление у первичных источников тока. Именно по этому признаку отличают первичные источники тока от аккумуляторов контроллеры DS2711/12 фирма «MAXIM». Полностью заряженные NiMH аккумуляторы размера АА имеют внутреннее сопротивление порядка 25-50 мОм, размера ААА – 50-100 мОм. В то же время полностью заряженные щелочные батарейки размера АА имеют внутреннее сопротивление порядка 150-250 мОм, размера ААА – 200-300 мОм. Как видно, отличить аккумуляторы от первичных источников тока можно установив предельное значение внутреннего сопротивления порядка 150 мОм. Однако это справедливо только для полностью заряженных аккумуляторов и батареек. При разрядке у тех и других внутреннее сопротивление растет, и различия в общем случае исчезают.

Для определения первичных источников тока контроллеры DS2711/12 в процессе быстрой зарядки каждые 31 секунд выключают зарядный ток и измеряют напряжение на аккумуляторе без тока. По этому и другому значениям, измеренным уже с зарядным током, вычисляется внутреннее сопротивление аккумулятора. Если оно оказывается больше установленного предела, то процесс зарядки прерывается с индикацией ошибки. Из-за того, что у разряженных батареек и аккумуляторов внутреннее сопротивление может быть одинаковым, алгоритм не всегда будет работать. Однако есть несколько эффектов, которые делают работу зарядного устройства с таким алгоритмом вполне приемлемым. Если пытаться заряжать батарейку, разряженную до напряжения ниже 0.8В, то зарядное устройство не включит режим быстрой зарядки, пока в режиме пред-зарядки не будет достигнуто напряжение 0.8В. Поскольку пред-зарядка ведется относительно малым током, такой режим не может привести к существенному нагреву и разрушению батарейки. Когда напряжение достигнет 0.8В, то включится режим быстрой зарядки. Если ток быстрой зарядки 1А и более, то высока вероятность того, что из-за высокого внутреннего сопротивления батарейки напряжение поднимется выше 1.8В и зарядка сразу будет прервана. Если же этого не произойдет, то зарядку прервет первое измерение внутреннего сопротивления. В режиме быстрой зарядки (током 1А и более) для разряженного аккумулятора времени 31 сек. окажется достаточно для того, чтобы его внутреннее сопротивление уменьшилось и проверка ошибки не показала. Если же внутреннее сопротивление окажется выше нормы, процесс зарядки прервется. Поэтому для глубоко разряженного аккумулятора может потребоваться несколько попыток старта процесса зарядки, после чего внутреннее сопротивление аккумулятора станет меньше установленного порога и процесс зарядки пройдет нормально. Таким образом, введение в алгоритм зарядки процедуры определения первичных источников тока может вызвать некоторые побочные эффекты, такие как необходимость перезапуска процесса зарядки глубоко разряженного аккумулятора. Можно, конечно, усовершенствовать алгоритм определения первичных источников тока. Например, сделать порог внутреннего сопротивления зависимым от напряжения на аккумуляторе. Но никто не может гарантировать полной достоверности определения. К тому же, новые разработки первичных источников тока имеют все более близкие параметры к параметрам аккумуляторов. Включать определение первичных источников тока в алгоритм работы зарядного устройства или оставить это на совести пользователя — решать нужно в каждом конкретном случае.

Эффект памяти и восстановление аккумуляторов

Эффект памяти сильнее всего проявляется в NiCd аккумуляторах как снижение емкости аккумулятора при повторяющихся циклах неполной разрядки-зарядки. Суть эффекта состоит в том, что на электродах образуются крупные кристаллические образования, в результате часть объема активного вещества аккумулятора перестает использоваться. Для устранения эффекта памяти рекомендуется полная разрядка аккумулятора (до напряжения 0.8-1.0 В) с последующей зарядкой. В особо тяжелых случаях может потребоваться несколько таких циклов. NiMH аккумуляторы практически свободны от эффекта памяти. По заявлениям производителей максимальная потеря емкости, связанная с этим эффектом, не превышает 5%, что заметить крайне сложно. Тем не менее, примерно раз в месяц рекомендуется перед зарядкой NiMH аккумуляторов их полностью разрядить.

Желательно, чтобы зарядное устройство имело возможность разрядки аккумулятора с контролем минимального напряжения, по достижению которого разрядка прекращается. Режим разрядки аккумулятора в зарядном устройстве полезен не только с точки зрения восстановления аккумуляторов. Он оказывается очень кстати, когда возникает необходимость зарядить аккумуляторы с разной или неизвестной степенью начального заряда. Перед зарядкой степень заряда всех аккумуляторов желательно выровнять, что проще всего сделать их полной разрядкой. Особенно актуально это для зарядных устройств, заряжающих батарею последовательно соединенных аккумуляторов. Зарядное устройство с функцией разряда может обладать возможностью измерения емкости аккумуляторов, что также очень полезно на практике.

Взаимодействие аккумуляторов в сборке

Отдельные аккумуляторы в батарее могут иметь несколько отличающиеся характеристики. Причиной является разброс параметров при производстве аккумуляторов, неравномерное распределение температуры внутри батареи при эксплуатации и разные темпы старения отдельных аккумуляторов. В итоге при зарядке батареи аккумуляторы с меньшей емкостью будут подвергаться перезарядке. Это вызывает дальнейшую деградацию таких аккумуляторов и выход их из строя. С другой стороны, если один из аккумуляторов в батарее имеет высокий саморазряд или вовсе закорочен, то при попытке полной зарядки такой сборки перезаряд будут испытывать исправные аккумуляторы.

Аккумуляторы с меньшей емкостью будут разрушаться и в процессе разрядки сборки. Эти аккумуляторы окажутся разряженными раньше, дальнейшая разрядка сборки может вызвать очень глубокий разряд таких аккумуляторов и даже их переполюсовку. При этом температура и давление внутри аккумуляторов будет повышаться, что может привести к их разрушению.

В результате даже небольшое начальное различие емкости аккумуляторов в сборке будет возрастать в процессе эксплуатации, и это может закончиться разрушением одного из аккумуляторов. Поэтому нужно стремиться к тому, чтобы степень зарядки отдельных аккумуляторов была по возможности одинаковой. В идеальном случае каждый аккумулятор батареи должен заряжаться отдельно. Однако готовые сборки аккумуляторов часто имеют всего два вывода, поэтому заряжать можно только всю сборку сразу. В таком случае может оказаться полезным выравнивание (balancing) степени зарядки аккумуляторов. Выравнивание обязательно нужно производить для новой или глубоко разряженной сборки. Перед началом выравнивания контролируют напряжение на сборке. Если напряжение сборки менее 0.8В/акк. (т.е. в пересчете на каждый аккумулятор), то производят зарядку до 0.8В/акк. током примерно 0.1 С. Затем нужно произвести выравнивание, для чего следует полностью зарядить сборку током 0.3С, ограничив процесс заряда временем 4.0-4.5 часов. Если сборка аккумуляторов долго не находилась в эксплуатации, то рекомендуется дополнительно произвести несколько циклов заряд-разряда стандартными методами.

2a3a.ru

Методы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Источники питания и зарядные устройства

Методы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Существует много различных методов заряда NiCd или NiMH аккумуляторов. Но все их можно разделить на 4 основные группы:

• – стандартный заряд – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.

• – быстрый заряд – заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов.

• – ускоренный или дельта V заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час.

• – реверсивный заряд – импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

Несколько слов о терминологии. Емкость аккумулятора часто обозначается буквой “C”, и Вы часто будете видеть ссылки подобные 1/20 C или C/20. Когда говорят о разряде, равном 1/10 C, то это означает разряд током, равным десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора.

Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA.

Теоретически аккумулятор емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.

Аналогично при заряде аккумуляторов, значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора. Медленный заряд в 1/10 C – обычно безопасен для любого аккумулятора.

Стандартный (или медленный) метод заряда

Этот метод подразумевает заряд током приблизительно равным 50 мА (для AA элементов) в течение 15 часов. При таком токе, диффузия кислорода более чем достаточна, чтобы предпринимать какие-либо меры для уменьшения тока после достижения полного заряда.

Безусловно, что в этом случае существует риск получить уменьшение напряжения при перезаряде.

Рис. 3

На графике (Рис.3) ток заряда поддерживается постоянно равным 0. 1C в течение 16 часов. Во время заряда наблюдается повышение напряжения на элементе аккумулятора. (По окончании заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться. Примеч. Переводчика.)

Следует отметить, что NiCd и NiMH аккумуляторы всегда заряжаются постоянным током, в отличие от свинцово-кислотных, которые заряжаются при постоянном напряжении.

Метод быстрого заряда.

Разновидностью медленного заряда является метод быстрого заряда, при котором используется ток заряда от 0.3 до 1.0C. В этом случае существенно важно, чтобы аккумулятор был полностью разряжен перед зарядом, так что такие зарядные устройства часто начинают заряд с цикла разряда для того, чтобы зарядить аккумулятор до его максимальной емкости.

Рис. 4

На графике (Рис.4) заряд током в 1/3 C поддерживался от 4 до 5 часов. Этот метод заряда имеет тенденцию к перегреву аккумулятора, особенно при заряде током близком к 1 C.

Метод D V заряда

Наилучший метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов – так называемый метод дельта V (метод измерения изменения напряжения). Если измерять напряжение на выводах элемента в течение заряда постоянным током, то можно заметить, что напряжение медленно повышается во время заряда. В точке полного заряда, напряжение на элементе будет кратковременно уменьшаться.

Величина уменьшения небольшая, примерно 10 mV на элемент для NiCd и меньше для NiMH, но явно выражена. Метод дельта V заряда почти всегда сопровождается измерением температуры, что обеспечивает дополнительный критерий оценки степени заряда аккумулятора (а для верности зарядные устройства для больших аккумуляторов высокой емкости обычно имеют кроме этого и таймеры безопасности).

Рис. 5

На графике (Рис.5) использовался ток заряда равный 1 C и после достижения полного заряда, ток заряда уменьшился до 1/30 … 1/50 C для компенсации явления саморазряда аккумулятора.

Существуют электронные схемы, разработанные специально для реализации метода дельта V заряда. Например MAX712 и 713. Реализация этого метода более дорога, чем другие, но дает хорошо воспроизводимые результаты.

Следует отметить, что в аккумуляторе с хотя бы одним плохим элементом из цепочки последовательно соединенных, метод дельта V заряда может не работать и привести к разрушению остальных элементов, поэтому необходимо быть осторожным.

Другой экономичный путь обнаружения момента полного заряда аккумулятора заключается в измерении температуры элемента. Температура элемента резко повышается при достижении полного заряда. И когда она повысится на 10° С или значительно выше окружающей среды, прекратите заряд, или перейдите в режим тонкоструйного заряда. При любом методе заряда, если применяются большие токи заряда, требуется предохранительный таймер. На всякий случай не допускайте ток заряда более, чем значение двойной емкости элемента,. (т.е. для элемента емкостью 800 мА*час, не более, чем 1600 мА*часа заряд).

NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с зарядом. Величина дельта V очень мала (примерно 2mV на элемент) и ее более трудно обнаружить, чем в случае NiCd аккумуляторов.

Поэтому NiMH аккумуляторы для сотовых телефонов имеют температурные датчики в качестве резервного средства для обнаружения дельта V .

Одна из специфических проблем, связанных с зарядом по этому методу заключается в том, что при использовании в автомобилях электрические шумы и помехи маскируют обнаружение дельта V, и телефоны более склонные к управлению зарядом по температурному ограничению. Это может привести к порче аккумулятора в автомобиле, где телефон постоянно подключен (например автомобильный комплект) и многократные запуски и остановки двигателя имеет место. Каждый раз, когда зажигание выключается на несколько минут и затем включается обратно, новый цикл заряда инициируется.

Итак, какой же ток заряда следует считать правильным?

При использовании нерегулируемого зарядного устройства, которое не обеспечивает обнаружение момента наступления полного заряда любым известным способом, необходимо ограничить ток заряда. Практически все NiCd элементы могут заряжаться током C/10 (приблизительно 50 мА для AA элемента) неопределенно долго без охлаждения. При этом, естественно, не удасться избежать уменьшения напряжения после полного заряда, но и аккумулятор не испортится. Все зарядные устройства, непосредственно встроенные в телефоны, имеют электронные схемы обнаружения полного заряда.

Если хотите ускорить процесс, то заряд током величиной C/3 зарядит элементы примерно через 4 часа, и при таком токе большинство элементов лишь немного перезарядится без больших неприятностей. То есть, если Вы заканчиваете процесс заряда в течение часа после достижения полного заряда, то это – хорошо. Исключение перезаряда – вот к чему необходимо стремиться. При токе заряда более C/2 необходимо использовать только зарядные устройства с автоматическими средствами обнаружения полного заряда. При таком токе и выше, элементы аккумулятора могут быть при перезаряде легко повреждены. Те элементы, которые содержат в своем составе поглотители кислорода, могут не охлаждаться, но будут весьма горячими.

С хорошей электронной схемой управления зарядом могут быть использованы токи заряда более 1C – проблемой в этом случае становится уменьшение эффективности заряда и внутреннее нагревание от потерь на внутреннем сопротивлении. Однако, если Вы не спешите, избегайте заряд током большим, чем 1C.

Реверсивный метод заряда

В анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 и CASP/2000L (H) используются реверсивные импульсные методы заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами. Считается, что такой метод заряда улучшает рекомбинацию газов, возникающих в процессе заряда, и позволяет проводить заряд большим током за меньшее время. Кроме того, восстанавливается кристаллическая структура кадмиевых анодов, устраняя тем самым «эффект памяти».

На рис.6 схематично изображена временная диаграмма реверсивного метода заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, реализованная в анализаторе Cadex 7000. Цифрой 1 обозначен нагрузочный импульс, а цифрой 2 – зарядный.

Рис. 6

Величина обратного импульса нагрузки определяется в процентах от тока заряда в диапазоне от 5 до 12 %. Оптимальное значение 9 %. Так например, для NiCd аккумулятора емкостью 1800 мА*час, зарядный ток величиной в 1С равен 1800 мА. Тогда импульс нагрузочного тока будет равен 1800 мА * 0.09 = 162 мА. Выбирайте значение равное 5 % для NiCd емкостью 500 мА*час и менее.

Примечание переводчика:

Был проведен единичный эксперимент по измерению параметров метода реверсивного заряда NiCd и NiMH аккумуляторов емкостью 1000 мА*час.

Измерения проводились с помощью осциллографа, путем измерения параметров импульса напряжения на резисторе С5 -16В – 0.2 Ом +-1%, последовательно включенном в положительную цепь заряда аккумулятора. По результатам измерений получилось:

• длительность импульса «1» составляет ~30 мс, а период следования ~200 мс;

• амплитуды импульсов тока «1» и «2» примерно одинаковы и равны значению тока заряда.

Дополнительная информация:

Быстрый заряд NiMH аккумуляторов осуществляется постоянным током с отслеживанием момента полного заряда по моменту начала уменьшения напряжения на и (или) максимально допустимому приращению температуры. Типовые характеристики быстрого заряда NiMH аккумуляторов в зависимости от тока заряда приведены на Рис. 7. Дополнительно на рисунке приведены график изменения температуры внутри аккумулятора и изменения тока в процессе заряда.

Рис. 7. Типовые характеристики быстрого заряда NiMH аккумуляторов

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Емкость элементов	Типоразмер	Стандартный режим зарядки	Пиковый ток заряда	Максимальный ток разряда
2000 мА/ч	AA	200 мА ~ 10 часов	2000 мА	10.0А
2100 мА/ч	AA	200 мА ~ 10-11 часов	2000 мА	15.0А
2500 мА/ч	AA	250 мА ~ 10-11 часов	2500 мА	20.0А
2750 мА/ч	AA	250 мА ~ 10-12 часов	2000 мА	10.0А
800 мА/ч	AAA	100 мА ~ 8-9 часов	800 мА	5.0 A
1000 мА/ч	AAA	100 мА ~ 10-12 часов	1000 мА	5.0 A
160 мА/ч	1/3 AAA	16 мА ~ 14-16 часов	160 мА	480 мА
400 мА/ч	2/3 AAA	50 мА ~ 7-8 часов	400 мА	1200 мА
250 мА/ч	1/3 AA	25 мА ~ 14-16 часов	250 мА	750 мА
700 мА/ч	2/3 AA	100 мА ~ 7-8 часов	500 мА	1.0 A
850 мА/ч	FLAT	100 мА ~ 10-11 часов	500 мА	3.0 A
1100 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 12-13 часов	500 мА	3.0 A
1200 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 13-14 часов	500 мА	3.0 A
1300 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 13-14 часов	500 мА	3.0 A
1500 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 16-17 часов	1.0 A	30.0 A
2150 мА/ч	4/5 A	150 мА ~ 14-16 часов	1.5 A	10.0 A
2700 мА/ч	A	100 мА ~ 26-27 часов	1.5 A	10.0 A
4200 мА/ч	Sub C	420 мА ~ 11-13 часов	3.0 A	35.0 A
4500 мА/ч	Sub C	450 мА ~ 11-13 часов	3.0 A	35.0 A
4000 мА/ч	4/3 A	500 мА ~ 9-10 часов	2.0 A	10.0 A
5000 мА/ч	C	500 мА ~ 11-12 часов	3.0 A	20.0 A
10000 мА/ч	D	600 мА ~ 14-16 часов	3.0 A	20.0 A

Рекомендации по зарядке/разрядке Ni-MH аккумуляторов

Таблица заряда типовых Ni-MH аккумуляторов