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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Betrieb von geschlossenen Ni-Cd-Akkus
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Die weite Verbreitung versiegelter Ni-Cd-Batterien (Scheiben- und Zylinderbatterien) hat auch zu großem Interesse an Fragen ihrer Funktionsweise, Methoden und Geräten zu deren Aufladung geführt. Zu diesen Themen wurden zahlreiche Artikel veröffentlicht, unter anderem im Radiomagazin. In den letzten Jahren ist das Interesse an diesem Thema durch das Aufkommen neuer, mit wiederaufladbaren Batterien (AB) betriebener Haushaltsgeräte deutlich gestiegen. Allerdings gibt es nicht viele Artikel, die sich mit dem Betrieb von Batterien befassen. Der Grund für diese Situation ist ganz objektiv: Die Durchführung von Untersuchungen zum Betrieb von AB ist eine sehr langwierige und arbeitsintensive Aufgabe. Und in vollem Umfang übersteigt es die Fähigkeiten von Funkamateuren. Dies bedeutet natürlich nicht, dass Funkamateure sich nicht an dieser Art von Arbeit beteiligen sollten – sie sollten lediglich die erzielten Ergebnisse kritisch betrachten und keine Verallgemeinerungen auf der Grundlage einzelner Ergebnisse vornehmen. Ein typisches Beispiel ist die bekannte Methode des Ladens von Batterien mit asymmetrischem Strom [1, 2]. Jeder war sich seiner Vorzüge durchaus bewusst; nur eine Kleinigkeit blieb unklar – woher es kam, was die ursprüngliche Quelle war. Aber eine solche „Kleinigkeit“ störte offensichtlich niemanden, denn nach zwei oder drei Veröffentlichungen, die auf dieser Lademethode basierten, konnte man getrost schreiben: „... das Laden von Batterien mit asymmetrischem Strom ermöglicht bekanntlich ...“ und weiter im Text. Ein weiteres Beispiel ist die Woodbridge-Methode, auf die so oft Bezug genommen wird. Es wurde in jenen Jahren entwickelt, als die Massenproduktion von Batterien begann, um den Bedürfnissen der sich entwickelnden Automobilindustrie gerecht zu werden, und die Probleme ihres Betriebs so dringend wurden, dass sie die Einbeziehung der Wissenschaft erforderten. Diese Technik wurde für bestimmte (Säure-)Batterien entwickelt und der Grund für die Erweiterung ihres Anwendungsbereichs ist unbekannt. Mit anderen Worten: Die Verwendung dieser Technik für andere Batterien ist nicht gerechtfertigt. Dadurch ist die Situation heute so verwirrend geworden, dass es schlicht unmöglich geworden ist, sie zu verstehen. Dies wird durch gewissenhafte Rezensionen einiger Autoren zum Thema und Versuche, daraus praktische Schlussfolgerungen zu ziehen, bestätigt – die Autoren bemerken die Widersprüche in den Quellen, auf die sie sich beziehen, nicht einmal. Wesentlich seltener sind wirklich seriöse Veröffentlichungen, zu denen auch [3] zählt. Der Artikel stellt eine bescheidenere und daher durchaus realistische Aufgabe: die vom Autor zu diesem Thema gesammelten Erfahrungen darzustellen. Wir möchten Sie noch einmal daran erinnern, dass der Artikel nur versiegelten Ni-Cd-Batterien aus inländischer Produktion gewidmet ist. Daher sollte man bei der Anwendung aller Bestimmungen auf andere Batterien kritisch und vorsichtig sein. Das Hauptmerkmal elektrischer Batterien ist die in ihnen gespeicherte Energiemenge, für deren Messung üblicherweise eine systemfremde Maßeinheit verwendet wird – kWh oder deren Vielfache. In der Praxis ist es bequemer, eine andere Eigenschaft von Batterien zu nutzen – die darin gespeicherte Ladung. Sie wird üblicherweise als Kapazität bezeichnet. Im SI-System wird die Ladung in Coulomb (1 C = 1A x 1 s) gemessen, häufiger wird jedoch auch eine systemfremde Maßeinheit verwendet – Ah, und für Batterien mit geringer Kapazität – mAh. Die Menschen sind an diesen Parameter so gewöhnt, dass sie oft vergessen (oder überhaupt nicht wissen), dass der Hauptindikator einer Batterie die Menge der gespeicherten Energie und nicht die Kapazität ist. Der Zusammenhang zwischen Batterieenergie E und Kapazität C wird durch die einfachste Formel bestimmt: E = C x Ucp, wobei Ucp die durchschnittliche Batteriespannung ist. Dieser Ausdruck bietet eine ausreichende Genauigkeit für die Praxis. Genauer gesagt wird die Energie durch ein Integral berechnet. Die Nennkapazität ist der typische Wert, der in den Batterieeigenschaften angegeben ist. Sie wird in erster Linie durch das Batteriedesign und die Fertigungstechnologie bestimmt. Es ist der letztgenannte Grund (genauer gesagt die technologischen Schwankungen während der Herstellung), der dazu führt, dass die Kapazität von Batterien selbst in einer Produktionscharge um bis zu zwei oder mehrere Male schwankt. In der Literatur wird manchmal darauf hingewiesen, dass Batterien aus Batterien mit ähnlichen Kapazitäten zusammengesetzt werden, aber unter Bedingungen der Massenproduktion ist dies natürlich einfach unrealistisch. In der UdSSR wurde die Nennkapazität oft nach dem Prinzip „weniger als weniger“ bestimmt, das eine Reserve bot, die es im Laufe der Zeit ermöglichte, die Kapazität von AB 7D-0,1 und anderen Batterien einfach durch Änderung der Zahlen zu „erhöhen“. auf dem Etikett. Jetzt ist aus 7D-0,1 7D-0,125 geworden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Kapazität eine multifaktorielle Größe ist, da sie selbst für einen bestimmten Fall von einer Reihe von Parametern abhängt: Umgebungstemperatur, Lade- und Entlademodi usw. Denn allein durch eine Änderung der Methodik ist es nicht schwierig, die Kapazität mehrmals zu „ändern“. Aber normalerweise ist es die Methodik, die nicht angegeben ist. Während des Betriebs sinkt die Batteriespannung vom Maximum auf das Minimum. Die Mindestspannung ist die Spannung, bei der die verbleibende Energie (Ladung) der Batterie unbedeutend ist und ein weiterer Betrieb unpraktisch ist, da dadurch auch die Spannung stark abnimmt (bei vollständiger Entladung ist sie Null). Bei Ni-Cd-Akkus liegt die Mindestspannung bei etwa 1 V und dieser Wert ist ein klares Kriterium für den Abschluss der Entladung. Somit ist der Arbeitsbereich für die Batterie der Spannungsbereich von Maximum bis Minimum. Im Arbeitsbereich lässt sich die verbleibende Energie (Ladung) näherungsweise anhand der Spannung an der Batterie ermitteln. Die Nennspannung ist der Durchschnitt zwischen Maximum und Minimum; Dies wird üblicherweise in den Referenzdaten der Batterie angegeben. Bei Ni-Cd-Akkus beträgt diese Spannung etwa 1,2 V. Die Nennspannung einer Batterie wird wie bei jeder anderen galvanischen Zelle nur durch ihr elektrochemisches System, d. h. galvanisches Paar und Elektrolyt, bestimmt. Es ist strukturell oder technisch unmöglich, diesen Wert zu ändern. Nach Abschluss des Ladevorgangs und Ausschalten des Ladegeräts ist die Batteriespannung (UM3) maximal und beträgt ca. 1,43...1,45 V. Sie nimmt schnell ab und erreicht nach 10...25 Minuten einen stabilen Wert UMP von 1,37. . 1,39 V. Die Streuung dieser Werte ist hauptsächlich auf Messfehler zurückzuführen, eine höhere Genauigkeit ist jedoch nicht erforderlich. Das Hauptproblem beim Betrieb von Batterien hängt mit dem Laden zusammen und ist auf das Fehlen eines zuverlässigen Kriteriums für deren Beendigung zurückzuführen. Die Verwendung der Batteriespannung ist hierfür wirkungslos, da diese erreicht werden kann, bevor die Batterie vollständig aufgeladen ist. Dieses Kriterium wurde häufig bei Amateurentwürfen verwendet. Aktuelle Veröffentlichungen weisen darauf hin, dass ein Kriterium nicht ausreicht, es bedarf zusätzlicher Kriterien, und eine davon schlägt die Messung der Batterietemperatur vor. Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, da Sie damit bestimmen können, wohin der Strom „geht“ – zum Laden oder Heizen, d. h. Sie können den Zustand der Batterie bestimmen, nicht jedoch den Ladegrad. Hinzu kommt, dass sich unter sonst gleichen Bedingungen der Einfluss der Umgebungstemperatur in großem Maße bemerkbar macht. Aus dem oben Gesagten können wir eine nicht sehr beruhigende Schlussfolgerung ziehen – heute gibt es keine verlässlichen Kriterien für das Ende des Ladevorgangs. Genauer gesagt gibt es noch ein solches Kriterium, auf das weiter unten eingegangen wird, dessen Umsetzung jedoch bei aller scheinbaren Einfachheit sehr problematisch ist. Das Fehlen verlässlicher Ladeschlusskriterien ist sicherlich enttäuschend, da dadurch eine vollständige Ladung des Akkus verhindert wird. Doch die Batterien werden seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Und die erste Frage, die sich stellt, ist, wie viel ist eine Vollladung wirklich nötig? Unter realen Bedingungen ist ein Kapazitätsunterschied von bis zu 15 % kaum wahrnehmbar und deutlich geringer als der Kapazitätsunterschied zwischen verschiedenen Kopien. Das Design versiegelter Batterien ist so konzipiert, dass die Abdichtung durch den Gasdruck im Inneren des Gehäuses gewährleistet wird. Beim Laden erhöht sich dieser Druck, und wenn er die Fließgrenze des Gehäusematerials erreicht, schwillt die Batterie an. In diesem Fall kommt es zu einem Kontaktbruch, was zum Totalausfall der Batterie führt. Bei Plattenbatterien ist es manchmal möglich, ihre Funktionalität wiederherzustellen – sie müssen in einem Schraubstock (durch eine Isolierdichtung) auf ihre vorherige Größe komprimiert werden. In schwerwiegenderen Fällen werden die Batterien geöffnet (stille Explosion) und können nicht wiederhergestellt werden. Als zuverlässiges Kriterium für das Ende des Ladevorgangs kann der Gasdruck dienen; in jedem Fall lässt sich damit die Grenze bestimmen, ab der ein weiteres Laden gefährlich wird. Doch selbst bei Hochleistungsbatterien ist die praktische Umsetzung dieser Methode problematisch, bei kleinen schlichtweg unrealistisch. Während des Entladevorgangs sinkt der Druck, und wenn die Spannung unter dem Mindestwert liegt, kann sie auf ein nicht mehr dichtendes Niveau absinken, was zum Austreten des Elektrolyten führt. Neben anderen Problemen überbrückt der ausgelaufene Elektrolyt die Batterieelektroden, woraufhin der Selbstentladungsstrom aufgrund von Oberflächenlecks zunimmt. Wenn Sie einen entladenen Akku über einen längeren Zeitraum lagern, wird dieser beschädigt. Es ist bekannt, dass Akkus, die längere Zeit nicht verwendet wurden, an Kapazität und Leistung verlieren. Sie können in mehreren Lade-Entlade-Zyklen wiederhergestellt werden. Es spielt keine Rolle, wie genau dies geschieht – eine „Wiederbelebung“ wird in jedem Fall stattfinden. Mit der Zeit kommt es zu natürlichen Alterungsprozessen und die Batterieleistung lässt nach. Die Lebensdauer von Batterien beträgt in der Regel 3...5 Jahre, bei normalem Gebrauch funktionieren sie jedoch 10 Jahre und länger zuverlässig. In der Praxis am gebräuchlichsten ist der sogenannte Standard-Lademodus – 150 % der Nennkapazität werden in den Akku „gepumpt“ und dieser 15 Stunden lang mit einem Strom von 0,1 C geladen. Der Wirkungsgrad von Batterien, also das Verhältnis von zugeführter zu aufgenommener Energie, lässt sich aus mehreren Gründen nur sehr schwer ermitteln und wird daher in der Regel nicht angegeben. Bei kleinen Akkus spielt das in der Regel keine Rolle, da die Verluste im Ladegerät natürlich größer sind. Sie lässt sich anhand des oben angegebenen Standard-Lademodus rein näherungsweise ermitteln – 0,65 (65 %). Der Standardmodus hat sich in der Praxis bewährt und kann als Referenzmodus angesehen werden. Das Ladegerät, das dies implementiert, kann äußerst einfach sein und eine Gleichrichterdiode und einen Löschwiderstand enthalten. Der Vorteil der Methode besteht darin, dass damit auch „halbleere“ Akkus geladen werden können. Allerdings hat es auch zwei wesentliche Nachteile: lange Ladezeiten und die Gefahr einer Überladung. Letzteres hängt zwar nicht mehr mit der Methode, sondern mit der Person zusammen – diese vergisst oft einfach, das Ladegerät rechtzeitig auszuschalten. Bei dieser Methode gibt es nur einen unklaren Punkt: Woher kommen diese 0,1 °C? Es gibt keine eindeutige Antwort, und im Laufe der Jahre ist es auch kaum möglich, eine solche zu bekommen, sodass wir nur davon ausgehen können, dass ein solches Regime einfach aus Kompromissgründen gewählt wurde. Bei einem geringeren Ladestrom verlängerte sich die Ladezeit unzumutbar (bei 0.05 °C - 30 Stunden), bei einem höheren Strom war es notwendig, die Leistung des Ladegeräts und dementsprechend seine Abmessungen, sein Gewicht und seinen Preis zu erhöhen. Experimente des Autors mit AB 7D... zeigten, dass das Laden mit einem Strom gleich der Batteriekapazität nicht zu Schäden führt. Die Methode, Batterien aus einer stabilen Spannungsquelle zu laden, ist sehr interessant und vielversprechend. Genauer gesagt nennen wir es stabiles Spannungsladen (SVC). Mit der SSN-Methode, die der maximalen Batteriespannung entspricht, ist es möglich, eine Überladung vollständig zu verhindern. Es ist zwar nicht ganz klar, wie genau diese Spannung sein soll: UM3 oder UMp, und aus Sicherheitsgründen ist es besser, die niedrigere davon zu nehmen – UMp. Zu Beginn des Ladevorgangs ist der Strom maximal, nach kurzer Zeit steigt er in den meisten Fällen leicht an (anscheinend nimmt der Innenwiderstand des Akkus ab). Wenn dann die Batterie geladen wird und ihre Spannung ansteigt, nimmt der Strom ab und nähert sich am Ende des Ladevorgangs asymptotisch Null, genauer gesagt dem Selbstentladungsstrom der Batterie. Beim Laden einer vollständig entladenen Batterie kann der anfängliche Stromstoß unzulässig groß sein und sollte beispielsweise durch den Einbau eines strombegrenzenden Widerstands in den Ladekreis begrenzt werden. Der Hauptnachteil dieser Methode besteht darin, dass sie eine Ladung von 60...70 % der Nennkapazität liefert. Daher empfiehlt sich der Einsatz für Pufferbatterien beispielsweise in elektronischen Uhren. Eine geringfügige Verringerung der Akkukapazität ist bei solchen Geräten nicht von Bedeutung, vielmehr geht es um einen langfristigen und zuverlässigen Betrieb. Diese Methode empfiehlt sich auch dann, wenn die Batterie innerhalb von 15 bis 20 Minuten in einen betriebsbereiten Zustand gebracht werden muss. Der Grund, warum dieser Modus die Batterien nicht vollständig auflädt, liegt auf der Hand: Es ist notwendig, die Versorgungsspannung zu erhöhen. In diesem Fall geht der Ladestrom asymptotisch nicht gegen Null, sondern gegen einen Mindestwert. Diese Stabilisierung des Ladestroms kann im Wesentlichen als Kriterium für das Ende des Ladevorgangs dienen. Es gibt noch ein weiteres, zuverlässigeres und einfacher umzusetzendes Kriterium – die Reduzierung des Ladestroms auf einen Wert nahe dem Minimum. Für die praktische Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es notwendig, den Lademodus für eine bestimmte Batterie experimentell auszuwählen: Bestimmen Sie die Ladespannung und den Ladeschlussstrom. Die Schaltung des automatischen Ladegeräts (CHD) ist in Abb. dargestellt. 1. Es ermöglicht das Laden von Batterien mit jedem Entladungsgrad, auch vollständig entladenen. Die Nennladezeit für Akkus 7D-0.125, entladen auf 1 V je Akku, beträgt ca. 1,5 Stunden. Bei Akkus mit geringerem Entladungsgrad verkürzt sie sich entsprechend. Die Kapazität, auf die der Akku aufgeladen werden kann, beträgt etwa 0,85...0,95 der Nennkapazität. Dies hängt vom Zustand der Batterie und von der Genauigkeit der Einstellung des Stroms ab, bei dem sich das Gerät ausschaltet.
Die Bedienung des Ladegeräts ist denkbar einfach: Nach dem Anschließen des Netzteils und des zu ladenden Akkus drücken Sie kurz die Taste SB1. Gleichzeitig leuchtet die Signal-LED HL1 auf und der Ladevorgang beginnt. Wenn der Akku aufgeladen ist, schaltet sich das Gerät automatisch ab, wodurch die Gefahr einer Überladung vollständig ausgeschlossen ist, und die Signal-LED erlischt. Die Basis des Ladegeräts ist der Spannungsstabilisator DA1. Mit dem Trimmwiderstand R9 wird der genaue Wert der Ausgangsspannung eingestellt. Die Diode VD1 verhindert, dass sich der Akku nach dem Ausschalten des Ladegeräts entlädt. Um Verluste zu reduzieren, wird eine Schottky-Diode verwendet, die im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumdioden einen geringeren Spannungsabfall aufweist. Eine Anzeige – LED HL10 – ist über einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit dem Ausgang des Ladegeräts verbunden. Der Kondensator C2 glättet die Wellen einer instabilen Stromquelle am Eingang des Stabilisators und verhindert außerdem deren Selbsterregung. Die Abschalteinheit ist ein Auslöser, der auf Transistoren VT1 und VT2 unterschiedlicher Struktur aufgebaut ist. Im Ausgangszustand ist der Auslöser nach dem Anschließen der Stromquelle und dem Laden des Akkus ausgeschaltet. Um es einzuschalten, drücken Sie einfach kurz die SB1-Taste. In diesem Fall öffnet der Transistor VT1 und sein Kollektorstrom durch den Widerstand R2 öffnet den Transistor VT2 – das Ladegerät beginnt zu arbeiten. Der durch das Gerät fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall am Widerstand R5, der über den Widerstand R6 und den Widerstandsspannungsteiler R3R4 der Basis des Transistors VT1 zugeführt wird. Der Auslöser schaltet sich ein und das Gerät funktioniert auch nach Loslassen der SB1-Taste weiter. „Teilzeit“ fungiert der Widerstand R5 als Maximalstrombegrenzer zu Beginn des Ladens vollständig entladener Batterien. Während des Ladevorgangs steigt die Spannung am Akku, was zu einer Verringerung des Ladestroms führt, und wenn dieser den eingestellten Mindestwert erreicht, reicht der Spannungsabfall am Widerstand R5 nicht mehr aus, um den Auslöser – das Ladegerät – im eingeschalteten Zustand zu halten wird ausgeschaltet und der Ladevorgang stoppt. Der genaue Wert des Mindeststroms wird mit dem Trimmwiderstand R4 eingestellt. Der Kondensator C1 glättet Spannungsschwankungen am Widerstand R5, die auftreten, wenn das Ladegerät von einer instabilen Stromquelle gespeist wird. In der Version des Autors wird zur Stromversorgung des Ladegeräts eine inländische unstabilisierte Quelle BPN-12-1 mit einer Leerlaufausgangsspannung von 18 V verwendet. Es ist möglich, andere Netzteile, auch stabilisierte, mit einer Ausgangsspannung zu verwenden von etwa 15 V (bei stabilisierten Netzteilen kann es etwas weniger sein) bei einem Strom von mindestens 0,2 A. Das Gerät ist auf einer Leiterplatte aus einseitig folienbeschichtetem Glasfaserlaminat mit einer Dicke von 1,5 mm montiert. Die Leiterplattenzeichnung ist in Abb. dargestellt. 2.
Das Gerät verwendet SPZ-19a-Abstimmwiderstände. Widerstand R5 – MLT-0,5 oder MT-0,5, R2 – MLT-0,25 oder MT-0,25; Sie werden senkrecht zur Platine installiert. Die restlichen Dauerwiderstände sind kabellos für die Aufputzmontage, Größe 1206. Sie werden auf der Seite der Leiterbahnen montiert. Kondensatoren - K50-35 oder ähnliche importierte. Anstelle der VD1-Diode können Sie jede Schottky-Diode mit einem zulässigen Strom von mindestens 1 A verwenden. Jede LED. Taste SB1 - beliebig ohne Fixierung. Auch der Stecker zum Anschluss des Netzteils kann beliebig sein – Hauptsache, er muss zum Stecker des Netzteils passen. Zum Einrichten benötigen Sie einen drahtgewickelten variablen Widerstand mit einem Widerstand von 560 Ohm und einer Leistung von 1 W. Dieser wird an den Ausgang des Ladegeräts angeschlossen und der Widerstand wird schrittweise verringert, bis der Auslöser nach Drücken der SB1-Taste zuverlässig gehalten wird freigegeben. Durch Einstellen des Widerstands R9 wird die Ausgangsspannung (gemessen direkt am Ausgang des Stabilisators) auf 10,9 V eingestellt. Etwas schwieriger ist es, den Abschaltstrom einzustellen. Da der Milliamperemeter-Shunt einen großen Fehler bei der Messung des Ladestroms verursacht, sollte das Milliamperemeter am Eingang des Geräts angeschlossen werden. Und obwohl in diesem Fall der vom Ladegerät selbst verbrauchte Strom zum Ladestrom selbst addiert wird, ist das Ergebnis genauer. Messen Sie dazu den Strom am Eingang des Ladegeräts mit dem Trimmerwiderstand R4 in Mittelstellung und stellen Sie ihn dann auf ca. 43 mA ein. Diese Vorgänge müssen mehrmals durchgeführt werden, bevor das gewünschte Ergebnis erzielt wird, da es unmöglich ist, den Abschaltstrom auf einmal zu „fangen“. Eine genauere Einstellung lässt sich erreichen, indem man direkt mit der Batterie arbeitet und mehrere Kontroll-Lade-Entlade-Zyklen durchführt. Der Stabilisator KR142EN22 kann durch KR142EN12A oder KR142EN12B ersetzt werden. Die Versorgungsspannung des Ladegerätes sollte auf 16...17 V erhöht werden. Literatur
Autor: A. Mezhlumyan, Moskau
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