Особенности заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей

Зарядные устройства никель-металлгидридных батарей по устройству очень похожи на зарядные устройства никель-кадми­евых батарей, но имеют более «серьезную» электронную начин­ку. Начнем с того, что процесс окончания их полного заряда ха­рактеризуется очень малым падением напряжения на батарее, которое при токе заряда менее 0,5С и в результате роста темпе­ратуры батареи вообще незаметно. ΔV еще меньше, если элемен­ты батареи не согласованы или идет процесс ее старения.

ΔV-заряд никель-металлгидридных батарей завершается при отрицательном перепаде напряжения на элементах батарее в кон­це заряда 16 мВ или менее. Увеличение чувствительности узла мо­ниторинга ΔV неэффективно, поскольку флуктуации напряже-

38

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

39

 

ния, помехи и шумы могут привести к ложным срабатываниям системы. Поэтому в скоростных зарядных устройствах ни­кель-металлгидридных батарей применяют комбинированные методы заряда: ΔV-заряд, ΔТ-заряд, а также используют устройст­ва отключения батареи при достижении порогового значения температуры (метод температурной отсечки) и отключения по сигналу таймера. Отключение батареи в процессе заряда происхо­дит по первому сигналу от любого из перечисленных устройств.

Методы ΔV-заряда или температурной отсечки обеспечивают более высокую эффективность заряда, чем менее агрессивные методы. Однако при этом срок службы батарей снижается при­мерно с 350...400 циклов заряд/разряд до 300 циклов.

Метод ΔТ-заряда никель-металлгидридных батарей подобен такому же методу заряда никель-кадмиевых батарей. Их отклю­чение происходит в том случае, если скорость роста температуры достигнет 1 °С/мин. При этом абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева составляет 60 °С. После окончания заряда осуществляется подзарядка током 0,1 С в течение 30 мин для обеспечения максимальной емкости батареи, а затем начинается процесс струйной подзарядки.

Временной график скоростного заряда характеризуется тем, что заряд начинается током 1С, и при достижении пиковых зна­чений напряжения батарея для охлаждения отключается на не­сколько минут, после чего заряд происходит при меньшем зна­чении тока. Таким образом, заряд происходит несколькими сту­пенями при ступенчатом снижении его тока.

Такой метод заряда, известный еще под названием «диффе­ренциально-шаговый заряд», хорошо подходит для заряда как никель-металлгидридных, так и никель-кадмиевых аккумулятор­ных батарей. В ходе его ток заряда изменяется в соответствии со степенью заряда батареи (State of Charge или SoC) и в начале за­ряда имеет большое значение, которое постепенно снижается до умеренных величин. Это позволяет предупредить перегрев бата­реи в конце цикла заряда, когда ее способность запасать энер­гию резко снижается.

Для никель-металлгидридных батарей наиболее предпочти­тельны методы быстрого заряда, а наименее — нормальный (медленный) заряд. Особенно критичен для них выбор тока струйной подзарядки. Поскольку они плохо поглощают энергию перезаряда, ток струйной подзарядки должен быть существенно

меньше, чем для никель-кадмиевых батарей. Для никель-метал­лгидридных батарей рекомендуется ток струйной подзарядки не более 0,05С. По этой причине зарядные устройства, предназна­ченные для зарядки никель-кадмиевых батарей непригодны для зарядки никель-металлгидридных, но зарядные устройства ни­кель-металлгидридных батарей можно с успехом применять для зарядки никель-кадмиевых.

Медленный заряд никель-металлгидридных батарей трудно осуществим или вообще невозможен. При токе заряда 0,1...0,ЗС определить конец заряда по скорости нарастания температуры батареи или перепаду напряжения на ней становится невозмож­ным. Поэтому, если устройства медленного заряда и применяют, то единственный способ завершения цикла заряда — отключе­ние по сигналу таймера. Назвать такой метод хорошим нельзя: перезаряд может привести к губительным для батареи последст­виям, особенно, если она установлена на зарядку в частично разряженном или в заряженном состоянии. То же самое может иметь место, если, например, заряжать батарею, утратившую свою емкость на 50 % из-за старения: при заряде в течение фик­сированного промежутка времени он должен быть рассчитан так, чтобы батарея могла получить 100 % необходимой энергии. А если она способна из этих 100 % взять только 50 %, значит, остальная энергия выделится в виде тепла (читай: произойдет перегрев батареи со всеми вытекающими последствиями).

Некоторые дешевые зарядные устройства не могут обеспе­чить полного заряда батареи, т. к. они определяют момент конца заряда по пиковому напряжению на ней или по достижении ею пороговой температуры. Часто такие зарядные устройства рекла­мируют, подчеркивая их низкую цену и возможность быстро за­рядить батарею. Но «не все то золото, что блестит».

Обобщим особенности процесса заряда никель-металлгид­ридных аккумуляторных батарей. Ток заряда для них должен быть не менее 0,5С, но не более 1С. Если ток заряда выбрать бо­льше величины 1С, то в результате повышенного выделения га­зов произойдет принудительная вентиляция ее корпуса: под дав­лением откроется предохранительный клапан и, возможно, утеч­ка электролита, что приведет к снижению емкости и срока службы батареи.

Если начать заряд полностью разряженной батареи током скоростного заряда (0,5... 1С), то в течение цикла заряда ее ем-

40

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

Никелъ-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

41

 

кость полностью восстановить не удастся. Поэтому началу ско­ростного заряда должен предшествовать инициирующий струй­ный заряд током 0,2...0,ЗС. Как правило, его время составляет до 10 мин. После того как напряжение на ее элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать заряд током 0,5... 1С. Обычно этот процесс в зарядных устройствах автоматизирован.

Для прекращения заряда по отрицательному ΔV перепаду на­пряжения его величина должна составлять не менее 5... 10 мВ на элемент батареи. Для прекращения заряда по увеличению скоро­сти нарастания температуры батареи ее значение должно состав­лять в среднем 1...2 °С/мин.

Для увеличения срока службы батарей их температура не должна превышать:

• 55 °С для аккумуляторов типоразмеров А, АА и D;

• 50 °С для аккумуляторов типоразмеров QA, ААА и призма­
тических;

• 60 °С для аккумуляторов L-A, L-fatA, SC.

Данные с характеристиками аккумуляторов различных типо­размеров, выпускаемых основными производителями — компа­ниями GP и Panasonic, — представлены в приложениях.

В качестве альтернативы струйному заряду можно использо­вать подзарядку никель-металлгидридных батарей импульсами тока. Этот метод наилучшим образом подходит для батарей, ис­пользуемых в источниках бесперебойного питания. При этом за­ряд происходит импульсами тока величиной 0,1 С с паузой меж­ду ними. Длительность паузы определяется временем саморазря­да. В качестве контрольной величины выступает значение напряжения на элементе: как только оно в результате саморазря­да снизится до 1,3 В, следует очередной импульс тока заряда. Время заряда при использовании этого метода составляет 16 ч, и он прекращается по таймеру.