Зарядное устройство, работающее по методу управления временем заряда по таймеру, работает в два этапа: заряд батареи током 0,2С с переключением ее через 6 ч в режим струйной подзарядки током 0,05С. Его структурная схема представлена на рис. 2.14, а временные характеристики процесса заряда — на рис. 2.15.
30
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
31
Контроллер тока заряда |
Контроллер тока заряда |
Термопредохранитель |
Ист. питания зарядного устройства |
Ист. питания зарядного устройства |
Детектор тока |
Таймер |
Общий таймер |
Рис. 2.14. Структурная схема зарядного устройства с управлением по таймеру |
Останов таймера
Рис. 2.15. Временная характеристика заряда с управлением по таймеру
Использование зарядных устройств с таймером позволяет уменьшить время заряда более чем в 2 раза по сравнению с зарядными устройствами нормального заряда, увеличить срок службы аккумуляторных батарей. Однако такие устройства нельзя применять в тех приложениях, в которых из-за сравнительно частых включений и выключений таймер перезапускается, т. е. процесс заряда, не завершившись, запускается вновь.
|
|
Быстрый заряд
В зарядных устройствах, работающих по методу быстрого заряда, отключение батареи по окончании заряда производится путем контроля напряжения на ней. Как только оно достигнет определенной величины, произойдет переключение батареи в режим струйной подзарядки.
Структурная схема устройства быстрого заряда приведена на рис. 2.16. При таком способе заряда необходимо учитывать и влияние температуры окружающей среды. Для этой цели в цепь управления компаратора включен термистор RT. Для того чтобы защитить батарею от перезаряда и перегрева, имеется два устройства защиты — таймер и термопредохранитель, установленные внутри ее корпуса.
Рис. 2.16. Структурная схема устройства быстрого заряда
Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он практически не применяется по той причине, что очень трудно согласовать батарею с зарядным устройством: для разных батарей напряжение отключения различно. Поскольку подобрать его трудно, возможен как недозаряд, так и перезаряд батареи, а это недопустимо.
Временная характеристика работы устройства быстрого заряда приведена на рис. 2.17.
Рис. 2.17. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда
Скоростной заряд
Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей лучше всего применять метод скоростного заряда (Fast Charge). Нормальный (медленный) заряд приводит к кристаллизации элементов батареи, что снижает их емкость и срок службы. Несмотря на то, что для борьбы с эффектом памяти (уменьшение емкости из-за кристаллизации аккумуляторов) применяют специальные методы, которые позволяют восстановить емкость батареи, срок ее службы при этом все равно снижается. Температура батареи при заряде должна быть умеренной, а нахождение ее при максимально допустимой температуре должно быть как можно меньше.
|
|
32
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
33
Рис. 2.18. Временная характеристика ΔV-заряда |
Перепад напряжения -ΔV, который имеет место в течение первых 5 мин с момента начала цикла скоростного заряда |
Порог переключения в режим струйной подзарядки по достижении напряжения на элементе 1,95 В |
Момент перехода из режима скоростного заряда в режим струйной подзарядки |
Начальный (инициирующий) заряд током 0,2С |
Струйная подзарядка током 0.05С в течение 15 ч |
Батареи этих типов не рекомендуется оставлять в зарядном устройстве более чем на несколько дней, даже при правильно установленной величине тока в режиме струйной подзарядки. Для борьбы с эффектом памяти необходимо один раз в месяц производить контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) — полностью разрядить батарею током нормального разряда, а затем немедленно зарядить ее.
Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Его называют отрицательным дельта V (в англоязычной технической литературе — Negative Delta V, или сокращенно NDV). В отечественной литературе такой метод заряда называют методом отрицательного ΔV-заряда, подчеркивая небольшое падение напряжения в конце заряда, или просто методом ΔV-заряда. Снижение напряжения в конце заряда для никель-кадмиевых батарей составляет 10...30 мВ на элемент.
Метод ΔV-заряда особенно хорошо использовать для определения времени конца заряда в зарядных устройствах герметичных никель-кадмиевых батарей, поскольку он обеспечивает быстрое время отклика. Хороших результатов при его использовании добиваются и при подзарядке частично или полностью заряженных батарей. При включении на зарядку, например, полностью заряженной батареи напряжение на ней сначала резко возрастет, а затем сразу же резко снизится, что приведет к прерыванию процесса заряда. Такой цикл продлится всего лишь несколько минут, в течение которых батарея не успеет нагреться. Чем лучше зарядное устройство «чувствует» ΔV, тем качественнее произойдет процесс заряда. На рис. 2.18 изображена временная характеристика ΔV-заряда.
Если характеристика на рис. 2.18 отображает всего лишь принцип ΔV-заряда, то на рис. 2.19 изображена реальная характеристика ΔV-зарядного устройства. Из нее видно, что процесс заряда начинается с инициирующего (начального) заряда током около 0,2С. Он особенно необходим, если батарея полностью разряжена. После этого этапа наступает этап скоростного заряда.
Скоростной заряд током 0,5С (t=10...40 C)
Рис. 2.19. Реальная характеристика работы скоростного ΔV-зарядного устройства
В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения (-ΔV), но автоматика отключения не срабатывает, т. к. она настроена так, что в течение 5 мин с момента начала скоростного заряда не реагирует на отрицательное изменение напряжения заряда. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15...20 мВ/элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С в течение 15 ч, после чего батарея отключается от цепи заряда полностью. Струйная подзарядка компенсирует ее саморазряд. Сама батарея готова к использованию практически сразу же после завершения скоростного заряда. Если элементы батареи плохо согласованы, перепад напряжения -ΔV может иметь малое значение, недостаточное для переключения зарядного устройства в режим струйной подзарядки. В этом случае предусмотрено его принудительное переключение в этот режим по достижении напряжения на элементе 1,95 В.
|
|
34
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
35
Чтобы падение напряжения на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5С. Если он меньше 0,5С, падение напряжения становится таким незначительным, что его трудно измерить, особенно если элементы батареи плохо согласованы. В батарее с несогласованными элементами каждый из них достигает состоянии полного заряда в разные промежутки времени, и величина перепада напряжения -ΔV в конце заряда батареи в целом становится менее ярко выраженной, процесс заряда не останавливается, и в результате батарея перегревается, происходит ее перезаряд. Поэтому, кроме анализа -ΔV, в зарядном устройстве, должны быть предусмотрены и другие способы прерывания процесса заряда (например, при нагреве батареи до пороговой температуры должно сработать устройство термозащиты (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Внутренняя схема аккумуляторной батареи, предназначенной для работы с ЗУ скоростного ΔV-заряда
Наиболее совершенные зарядные устройства никель-кадмиевых батарей имеют термодатчик, контролирующий скорость нарастания температуры батареи, которую часто обозначают как ΔT/Δt (T — температура; t — время; А означает приращение), а метод заряда, при котором обеспечивается слежение за скоростью нарастания температуры батареи — методом ΔТ-заряда (дельта Т-заряда). Такой метод заряда более эффективен, чем отключение батареи при достижении ее пороговой температуры. Отключение происходит в том случае, если повышение температуры достигнет 1 °С/мин. Абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева устанавливают равным 60 °С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит более интенсивный нагрев батареи. Из-за относительно большой массы ее элементов батарея очень короткий промежуток времени работает в условиях процесса перезаряда, пока не произойдет ее отключение. Метод ΔТ-заряда используется только в зарядных устройствах скоростного заряда.
|
|
Внутренняя схема батареи, предназначенной для скоростно-i о ΔТ-заряда, имеет дополнительный элемент — термистор, один сигнальный выход которого выведен на ее отдельный контакт, обозначенный буквой «Т» (рис. 2.21). Сигнал с этого контакта подается на микропроцессор или специализированную микросхему зарядного устройства и обеспечивает прекращение цикла скоростного заряда по методу ΔТ-заряда.
Рис. 2.21. Внутренняя схема аккумуляторной батареи, предназначенной для работы со скоростным ΔТ-зарядным устройством
Перезаряд особенно губительно воздействует на батарею, если по окончании заряда ее принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. Это характерно для аккумуляторных батарей радиостанций, трубок радиотелефонов, которые часто вынимают, затем снова вставляют в базовое или автомобильное зарядное устройство. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. То же самое характерно и для аккумуляторных батарей ноутбуков. Пользуясь ноутбуком, как переносным прибором, специалист, часто не задумываясь, подключает его к сетевому источнику питания, являющемуся одновременно и зарядным устройством, а затем отключает. То же самое происходит и при использовании ноутбука при обслуживании электрооборудования современных автомобилей. Частые подключения к внешнему источнику питания устройства с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными батареями делает их «глухими». Другими словами, через какое-то время они перестают «чувствовать» связь с зарядным устройством. Зарядные устройства литий-ионных батарей умеют определять степень заряда батареи (SoC — State-of-Charge), поэтому многократные подключения, например, ноутбуков с такими батареями, не приведет к срыву процесса заряда в какой-то момент.
Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном заряде (ток заряда 1С) составляет 91 %, а при медленном (ток заряда 0,1С) — 71 %. Время скоростного за-
36
Никель-кадмиевые и никелъ-металлгидридные батареи
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи
37
ряда обычно — около одного часа. Если батарея разряжена частично или ее емкость в результате эффекта памяти уменьшилась, время заряда сокращается. При нормальном (медленном) заряде его время составит около 14 ч.
В течение первых 70 % времени цикла заряда никель-кадмиевая батарея заряжается почти до 100 % своей емкости. Несмотря на то, что батареей была поглощена определенная энергия, ее нагрев не происходит. Начальный зарядный ток никель-кадмиевых батарей может составлять несколько значений С без угрозы их перегрева. Этот феномен использован в ультраскоростных устройствах заряда, в которых заряд батареи до 70 % ее емкости происходит в считанные минуты. Далее он продолжается при более низких значениях тока заряда, пока батарея не зарядится полностью.
По достижении порога емкости в 70 % батарея существенно утрачивает способность запасать энергию. Ее элементы начинают выделять газы. Давление их внутри корпуса увеличивается, температура батареи растет. По достижении емкости 80...90 % ее способность запасать энергию снижается еще больше. По достижении состояния полного заряда начинается перезаряд батареи. Некоторые зарядные устройства способны обеспечить индикацию степени перезаряда. На рис. 2.22 приведены зарядные характеристики элемента никель-кадмиевой батареи. Зарядные характеристики никель-металлгидридных аккумуляторов от них практически не отличаются.
Рис. 2.22. Зарядные характеристики никель-кадмиевого аккумулятора |
При заряде током 1С и более никель-кадмиевые батареи сверхбольшой емкости имеют тенденцию к большему нагреву, чем стандартные батареи. Оптимальных зарядных характеристик можно добиться, если на начальном этапе процесса заряда заря-
жать батарею большим током, а затем, по мере снижения способности батареи запасать энергию, этот ток уменьшать. Таким образом, можно избежать существенного нагрева аккумуляторной батареи и добиться ее полного заряда.
Если после каждого импульса зарядного тока будет следовать импульс тока разряда, это улучшит способность батареи запасать энергию. Такой метод заряда, иногда называемый методом «отрыжки», методом «обратной нагрузки», а чаще всего — реверсивным зарядом, обеспечивает увеличение активной площади пластин. В результате увеличиваются энергоемкость батареи и срок ее службы. Метод обратной нагрузки также улучшает процесс скоростного заряда, т. к. способствует рекомбинации газов, выделяемых в процессе заряда. В итоге заряд сопровождается меньшим выделением тепла и становится более эффективным, чем при заряде постоянным (не импульсным) током. Более того, исследования выявили еще одно преимущество этого метода: он существенно снижает опасность кристаллизации никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличивает срок их службы примерно на 15 %.
После полного заряда никель-кадмиевая батарея переходит в режим струйной подзарядки для компенсации ее саморазряда. Ток заряда в этом режиме составляет 0,033...0,05С. С целью ослабления эффекта памяти величину этого тока стараются подбирать как можно меньшей.