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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schnellladegerät für Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Das im Artikel beschriebene Gerät ist zum beschleunigten Laden von Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus mit exponentiell abnehmendem Strom ausgelegt. Zu seinen Vorteilen gehören die Möglichkeit, die Ladezeit im Bereich von 45 Minuten bis 3 Stunden zu wählen, einfache Herstellung und Einstellung, keine Erwärmung der Batterien am Ende des Ladevorgangs, Möglichkeit zur visuellen Kontrolle des Ladevorgangs, automatische Wiederherstellung des Ladevorgangs Prozess, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet und dann eingeschaltet wird, Benutzerfreundlichkeit. Das Gerät kann als Stativ zur Messung der Lade- und Entladeeigenschaften von Batterien verwendet werden. Beim Laden mit einem großen konstanten Strom (0,5 E oder mehr, wobei E die Batteriekapazität ist), beginnt sich die Batterie nach 75 ... 80% Ladung zu erwärmen, und Ni-MH-Batterien erwärmen sich mehr als Ni-Cd [1 ]. Nachdem die Batterie vollständig aufgeladen ist, steigt die Temperatur rapide an [1], und wenn dieser Vorgang nicht rechtzeitig gestoppt wird, endet er mit einer Entzündung oder Explosion der Batterie. Die empfohlene Ladeschlusstemperatur beträgt +45 °С [2]. Allerdings ist dieses Kriterium nur als Notfall geeignet: Die Kombination von Überladung mit Überhitzung verringert die Kapazität der Batterie und verkürzt somit deren Lebensdauer. Auch das Erreichen einer bestimmten Spannung an der Batterie ist kein zufriedenstellendes Kriterium für das Ende des Vorgangs. Tatsache ist, dass sein Wert, der einer vollen Ladung entspricht, nicht im Voraus bekannt ist, da er von der Temperatur und dem „Alter“ der Batterie abhängt. Ein Fehler von wenigen Millivolt führt dazu, dass die Batterieladung nie oder zu früh endet [3]. Beim Laden mit Konstantstrom lässt sich die Ladung einfach steuern – sie ist direkt proportional zur Dauer des Vorgangs. Insbesondere kann ihr Wert gleich der Nennkapazität der Batterie gesetzt werden. Mit der Zeit lässt seine Kapazität jedoch nach und beträgt am Ende der Lebensdauer ca. 80 % des Nennwertes. Die Begrenzung der Ladung auf die Nennkapazität garantiert daher nicht die Abwesenheit von Überladung und Überhitzung der Batterien und kann daher nicht das einzige Kriterium für das Ende des Ladevorgangs sein. Das schwierigste Kriterium für das Ende des Vorgangs ist der Moment, in dem die Spannung an der Batterie ein Maximum erreicht und dann abzunehmen beginnt. Die maximale Spannung an der Batterie entspricht einer vollen Ladung, aber in [2] wird gezeigt, dass dies eine Folge der Erwärmung der Batterie während des Ladungsrückgewinnungsprozesses ist. Der Maximalwert ist sehr klein, insbesondere für Ni-MH-Akkus (ca. 10 mV), daher werden ADCs oder Spannungs-Frequenz-Wandler verwendet, um ihn zu erkennen [2]. Beim Laden einer Batterie wird daher die maximale Spannung ihrer verschiedenen Zellen zu unterschiedlichen Zeiten erreicht es ist wünschenswert, jeden von ihnen separat zu steuern. Außerdem gibt es Akkus mit abnormaler Ladekennlinie, bei denen dieses Maximum fehlt. Mit anderen Worten, es reicht nicht aus, nur die Spannung zu überwachen, es ist auch notwendig, sowohl die Temperatur als auch die durch die Batterie geleitete Ladungsmenge zu kontrollieren. Daher ist es beim Laden einer Batterie mit einem großen Konstantstrom erforderlich, jedes ihrer Elemente nach mehreren Kriterien zu steuern, was das Ladegerät verkompliziert. Nur das Laden mit niedrigem Strom (nicht mehr als 0,2 E) führt auch bei einer großen Wiederaufladung nicht zu einer Notüberhitzung der Batterien. In diesem Fall muss der Zustand jedes Elements nicht überwacht werden, das Ladegerät erweist sich als sehr einfach, aber sein Nachteil ist auch offensichtlich - eine lange Ladezeit. Es gibt Ladegeräte, bei denen der anfangs große Ladestrom mit der Zeit abnimmt [4-6]. In diesem Fall ist es auch nicht erforderlich, den Zustand jeder Batteriezelle zu überwachen. Allerdings gibt es bei diesen Geräten keine Kontrolle über die Lademenge, und das Erreichen einer bestimmten Spannung wird als Kriterium für eine Vollladung herangezogen, was, wie oben erwähnt, nicht zufriedenstellend ist. In [7] wird ein Ladegerät beschrieben, bei dem die Batterie als Kondensator aus einer Konstantspannungsquelle über einen Widerstand geladen wird. In diesem Fall sollte der Ladestrom theoretisch exponentiell mit der Zeit mit einer Zeitkonstante abnehmen, die gleich dem Produkt aus der äquivalenten Batteriekapazität und dem Widerstandswert dieses Widerstands ist. In der Praxis ist die Zeitabhängigkeit des Ladestroms nicht exponentiell, da sich Ersatzkapazität und Ausgangsimpedanz der Quelle während des Ladevorgangs ändern. Aber selbst wenn wir den angegebenen Unterschied vernachlässigen, ist der wichtigste Parameter - die Ladezeitkonstante - unbekannt, wodurch es unmöglich ist, die durch die Batterie geleitete Ladung zu kontrollieren. Daher endet der Ladevorgang wieder, wenn eine bestimmte Spannung erreicht ist. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird der Ladestrom in Form eines exponentiell abfallenden Impulses gewählt, da dies mit einfachsten RC-Gliedern einfach zu realisieren ist. Es endet auf natürliche Weise, wodurch die Notwendigkeit eines Timers zum Abschalten der Batterien nach einer vorbestimmten Zeit entfällt, und die Ladung ist begrenzt, selbst wenn sich die Batterien längere Zeit im Ladegerät befinden. Der Ladestrom muss unbedingt von einem Stromgenerator erzeugt werden, damit sein Wert und seine Form nicht von der Spannung an den Batterien oder der Nichtlinearität ihrer Ladekennlinie abhängen. Beim Laden nimmt der Strom durch die Batterien I exponentiell ab: Ich = ich0exp(-t/T0), (eines)
In diesem Fall erhält jede Batterie eine Ladung q, die durch den Ausdruck geschätzt wird q = ich0Т0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 -ES0. (2) Graphen der Abhängigkeiten von I und q von der Zeit t sind in Abb. 1 dargestellt. eines.
Es ist ersichtlich, dass während 3T0 Ladung erreicht 0,95 I0T0 und nähert sich dann dem Wert I0Т0. Es wird empfohlen, die Werte I zu wählen0 und T0 durch Formeln I0 = nE, T0 = 1 h/n, wobei n = 1, 2, 3, 4. (3) Der bequemste Wert ist n \u1d 3. Der anfängliche Ladestrom entspricht in diesem Fall der elektrischen Kapazität E, die Ladezeit beträgt 2 Stunden (Sie können die Batterien praktisch über Nacht im Ladegerät lassen, und am Morgen werden sie es sein voll aufgeladen). Wenn diese Ladezeit zu lang ist, wird der Wert von n erhöht. Bei n = 1,5 sind es 2 Stunden bei einem Anfangsladestrom von 3E. Dieser Modus eignet sich für Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus. Eine Erhöhung von n auf 1 reduziert die Ladezeit auf 3 Stunde, aber der anfängliche Ladestrom erhöht sich auf 4E. Schließlich wird bei n = 45 die Ladezeit auf 4 min reduziert und der anfängliche Ladestrom auf 3E erhöht. Werte von n gleich 4 und 0,1 sind für Ni-Cd-Akkus akzeptabel, da ihr Innenwiderstand gering ist (weniger als 4 Ohm). Der Innenwiderstand von Ni-MH-Akkus ist um ein Vielfaches größer, sodass ein großer Strom sie zu Beginn des Ladevorgangs aufheizen kann, was nicht akzeptabel ist. Werte größer als XNUMX werden nicht empfohlen. Ich kann wählen0 5 % mehr als durch Formel (3) bestimmt. Dann beträgt die exakte Ladezeit 3 h/n, weitere 5 % Aufladung sind nicht von Bedeutung. Das Funktionsprinzip des Gerätes ist in Abb. 2.
Kondensator mit Kapazität C1, vorgeladen auf Spannung U0, wird über den Stromverstärker A1 mit Eingangswiderstand Rin und Stromverstärkung Ki entladen. Der Strom im Eingangskreis des Verstärkers Iin wird durch den Ausdruck bestimmt Iein = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (vier) Der Strom im Ausgangskreis des Verstärkers I \u1d KiIin lädt die Batterie GBXNUMX auf: Ich = KiU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0 exp(-t/RinС1), (5)
Bequem, U zu wählen0 \u1d 1 V, C1000 \u3d 3,6 μF, dann folgt aus (XNUMX) dass Rin \uXNUMXd XNUMX MΩ / n S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) Beispielsweise sollten bei E = 1 Ah und n = 1 die folgenden Parameter sein: Rin = 3,6 MΩ, S = 1 A / V, Ki = 3600000 = 131 dB. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 3. Der Stromverstärker ist auf dem Operationsverstärker DA2.1 und den Transistoren VT2 und VT3 aufgebaut. Die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers wird durch den DA1-Chip stabilisiert. Der Knoten am Transistor VT1 steuert den Wert dieser Spannung. Im Normalzustand ist dieser Transistor geöffnet, Strom fließt durch die Spule des Relais K1, die Kontakte des Relais K1.1 sind geschlossen, die LED HL1 leuchtet auf und signalisiert den normalen Betrieb des Geräts. Der SA1-Schalter wählt den Lademodus: Gleichstrom (wenn seine Kontakte geschlossen sind) oder exponentiell abnehmend (wenn sie offen sind). Die Widerstände R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung am Motor des variablen Widerstands R3 bestimmt den Ladestrom. Im "Konstant"-Modus wird diese Spannung über den Widerstand R1 und die geschlossenen Kontakte des Relais K1.1 dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt. Sein Ausgangsstrom wird durch die Transistoren VT2, VT3 verstärkt und so eingestellt, dass die Spannungen an den Widerständen R11 und R5 gleich werden. Die Stromverstärkung Ki = R5/R11 und mit den im Diagramm angegebenen Nennwerten ist ungefähr gleich 107, und die Spannungs-Strom-Umwandlungssteigung S = 1/R11 = 3 A/V.
Im Modus "Abnehmen" (Kontakte des Schalters SA1 sind geöffnet) wird der Kondensator C2 mit einer Kapazität von 1000 μF über den Widerstand R5 mit einer durch Formel (3) ausgewählten Zeitkonstante entladen. Der exponentiell abnehmende Strom durch diesen Kondensator wird durch den Operationsverstärker DA2.1 und die Transistoren VT2, VT3 verstärkt und lädt die an den X1-Anschluss ("Ausgang") angeschlossenen Batterien auf. Die Diode VD2 verhindert, dass sie sich entladen, wenn die Versorgungsspannung abgeschaltet wird. Amperemeter PA1 wird verwendet, um den aktuellen Wert des Ladestroms zu kontrollieren. Der Kondensator C5 verhindert eine Selbsterregung des Geräts. Widerstände R4, R8-R10 - Strombegrenzung. Sie schützen den Operationsverstärker und den Transistor VT2 in Notsituationen, beispielsweise wenn der Widerstand R11 ausfällt oder der Transistor VT3 ausfällt, und verhindern so den Ausfall anderer Elemente. Wenn die Stromversorgung im Lademodus mit abnehmendem Strom abgeschaltet wird, schließt der Transistor VT1 und das Relais öffnet die Kontakte K1.1, wodurch eine weitere Entladung des Kondensators C2 verhindert wird. Die LED HL1 erlischt und signalisiert einen Stromausfall. Bei Spannungswiederkehr öffnet der Transistor VT1, das Relais K1 schließt die Kontakte K 1.1 und die Batterieladung wird automatisch mit dem Stromwert fortgesetzt, bei dem sie unterbrochen wurde. Die HL1-LED leuchtet wieder auf und signalisiert die Wiederaufnahme des Ladevorgangs. Durch Drücken der SB1-Taste können Sie beim Aufheben der Ladekennlinie den Ladevorgang kurzzeitig unterbrechen. In diesem Fall verhindert der Kondensator C4 das Eindringen von Netzstörungen zum Eingang des Operationsverstärkers. Das Gerät ist auf einer universellen Leiterplatte aufgebaut und in einem Gehäuse mit den Abmessungen 310x130x180 mm untergebracht. AA-Batterien werden in einer Nut auf der oberen Abdeckung des Gehäuses platziert. Die Kontaktbuchsen bestehen aus verzinnten Blechstreifen, die von einer Feder aus einem Standardfach für eine AA-Zelle gegen die Batterien gedrückt werden. Durch die Feder fließt kein Strom. Zu beachten ist, dass handelsübliche Kunststofffächer nur für Ströme bis 500 mA geeignet sind. Tatsache ist, dass der Strom, der durch die Kontaktfedern fließt, diese erwärmt, während sich auch die Batterien erwärmen. Bereits bei einem Strom von 1 A erhitzen sich die Federn so stark, dass sie die Wand des Kunststoffgehäuses des Fachs schmelzen und eine weitere Verwendung unmöglich machen. Der Transistor VT3 ist auf einem gerippten Kühlkörper mit einer Fläche von 600 cm montiert2, Diode VD2 - auf einem Plattenkühlkörper mit einer Fläche von 50 cm2. Der Widerstand R11 besteht aus drei parallel geschalteten MLT-1-Widerständen mit einem Widerstand von 1 Ohm. Alle Hochstromverbindungen werden mit Kupferdrahtstücken mit einem Querschnitt von 3 mm hergestellt2, die direkt an die Abschlüsse der entsprechenden Teile gelötet werden. Der Operationsverstärker K1446UD4A (DA2) kann durch einen K1446UD1A-Chip oder einen anderen dieser Serien ersetzt werden, aber von den beiden Operationsverstärkern müssen Sie denjenigen mit der niedrigeren Vorspannung auswählen. Der zweite Operationsverstärker kann als Teil einer temperaturempfindlichen Brücke [8] zur Notabschaltung von Batterien verwendet werden, wenn sie während des DC-Ladens überhitzen (keine Überhitzung der Batterien wurde beim Laden mit abnehmendem Strom beobachtet). Bei der Verwendung anderer Arten von Operationsverstärkern ist zu beachten, dass die Stromversorgung in diesem Design unipolar ist und daher an beiden Eingängen mit Nullspannung betrieben werden muss. Die Mikroschaltung KR1157EN601A (DA1) kann durch den Stabilisator dieser Serie mit Index B sowie durch die Mikroschaltung der Serie K1157EN602 ersetzt werden, letztere hat jedoch eine andere "Pinbelegung" [9]. Transistor VT1 - jeder der KP501-Serie, VT2 muss einen statischen Basisstrom-Übertragungskoeffizienten h haben21E nicht weniger als 100. Der Transistor KT853B (VT3) unterscheidet sich darin, dass sein h21E 1000 überschreitet. Andere Arten von Transistoren können als VT2, VT3 verwendet werden, aber die Gesamtstromverstärkung muss 100000 überschreiten. Kondensator C2, der die Ladezeitkonstante T einstellt0, muss eine stabile Kapazität haben, die nicht unbedingt dem im Diagramm angegebenen Nennwert entsprechen muss, da der erforderliche Wert von T0 eingestellt, wenn die Auswahl des Widerstands R5 angepasst wird. Der Autor verwendete einen Jamicon-Oxidkondensator mit einer großen Spannungsspanne (25-fach). Relais K1 - Reed-Relais EDR2H1A0500 von ECE mit einer Betriebsspannung und einem Betriebsstrom von 5 V bzw. 10 mA. Ein möglicher Ersatz ist ein im Inland hergestelltes Relais KUTs-1 (Pass RA4. 362.900). Das Amperemeter PA1 muss für den maximalen Ladestrom ausgelegt sein (in der Autorenversion wurde das Gerät M4200 für einen Strom von 3 A verwendet). Sicherung FU1 ist eine selbstrückstellende MF-R300 von BOURNS [10]. Die Einrichtung des Geräts reduziert sich auf die Einstellung des erforderlichen Werts der Ladezeitkonstante T0ausgewählt durch Formel (3). Der Widerstandswert des Widerstands R5 wird gemäß Formel (7) gleich Rin gewählt, wobei angenommen wird, dass die Kapazität des Kondensators C2 genau 1000 μF beträgt. Anstelle von Batterien wird ein digitales Amperemeter mitgeliefert. Vor dem Einschalten der Stromversorgung wird sowohl beim Laden der Batterien als auch beim Einrichten des Geräts der Schieber des variablen Widerstands R3 in die untere Position (gemäß Diagramm) bewegt und die Kontakte des SA1-Schalters geschlossen (dies ist zum Entladen erforderlich der Kondensator C2). Schalten Sie dann die Stromversorgung ein und stellen Sie durch Bewegen des Schiebers des Widerstands R3 den Anfangsstrom I ein0 ca. 1 A. Als nächstes wird SA1 in die Position "fallend" überführt. Nach der Zeit T1 (ungefähr gleich T0) den Strom I messen1. Der korrigierte Widerstandswert des Widerstands R5* errechnet sich nach der Formel R5* = R5[ln(I0/I1)]. Schließlich wird ein Widerstand R5 mit einem Widerstand gleich diesem korrigierten Wert installiert. Batterien müssen vor dem Laden auf eine Spannung von 1...1.1 V entladen werden, um eine Überladung und das Auftreten des Memory-Effekts zu verhindern [2]. Werden die Akkus beim Entladen heiß, sollten sie vor dem Laden auf Umgebungstemperatur (0...+30 °С [2]) abgekühlt werden. Bevor Sie die Batterien an das Ladegerät anschließen, müssen Sie sicherstellen, dass es stromlos ist, sich der Schieber des Widerstands R3 in der unteren Position (gemäß Diagramm) befindet und SA1 in der Position "Konstant" steht. Legen Sie außerdem unter Beachtung der Polarität die Batterien ein, schalten Sie die Stromversorgung ein und verwenden Sie den variablen Widerstand R3, um den Anfangsstrom I einzustellen0 durch Formel (3). Danach wird SA1 in die Position "Abnehmend" überführt, und zwar nach einer Zeit von 3T0 Batterien sind einsatzbereit. Um das Gerät mit Strom zu versorgen, benötigen Sie eine Spannungsquelle von 8 bis 24 V, die nicht stabilisiert werden kann. Sie können eine bis zehn Zellen gleichzeitig laden. Die Mindestversorgungsspannung sollte unter Berücksichtigung der Welligkeit 2 V pro Zelle plus 4 V betragen (jedoch innerhalb der angegebenen Grenzen). Das Gerät kann als Ständer verwendet werden, um nicht nur die Lade-, sondern auch die Entladeeigenschaften von Batterien zu messen. Im letzteren Fall muss die zu prüfende Batterie verpolt an das Gerät angeschlossen werden. Die Spannung an seinen Elektroden muss ständig mit einem Voltmeter überwacht werden. Es sollte nicht erlaubt werden, seine Polarität zu ändern, um eine versehentliche Zerstörung der Batterie zu vermeiden. Aus diesem Grund ist es nicht empfehlenswert, eine Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen auf diese Weise zu entladen, da sonst der Moment des Ausfalls der Zelle mit der kleinsten Kapazität verpasst werden kann. Literatur
Autor: M. Evsikov, Moskau; Veröffentlichung: cxem.net
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