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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schnelles Batterieladegerät
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Das im Artikel beschriebene Gerät ist für das beschleunigte Laden von Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus mit exponentiell abnehmendem Strom ausgelegt. Zu seinen Vorteilen gehören die Möglichkeit, eine Ladezeit von 45 Minuten bis 3 Stunden auszuwählen, einfache Herstellung und Einrichtung, keine Erwärmung der Batterien am Ende des Ladevorgangs, die Möglichkeit, den Ladevorgang visuell zu überwachen, und die automatische Wiederherstellung des Vorgangs, wenn Die Stromversorgung wird ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet, und die Benutzerfreundlichkeit ist gewährleistet. Das Gerät kann als Stativ zur Messung der Lade- und Entladeeigenschaften von Batterien verwendet werden. Beim Laden mit einem großen Konstantstrom (0.5 E oder mehr, wobei E die Akkukapazität ist) beginnt sich der Akku nach 75...80 % Ladung zu erwärmen, und Ni-MH-Akkus erwärmen sich stärker als Ni-Cd-Akkus [ 1]. Nachdem der Akku vollständig geladen ist, steigt die Temperatur rasant an [1] und wenn dieser Vorgang nicht rechtzeitig gestoppt wird, endet er damit, dass sich der Akku entzündet oder explodiert. Die empfohlene Ladeabschlusstemperatur beträgt +45 °C [2]. Allerdings eignet sich dieses Kriterium nur als Notfallkriterium: Durch die Kombination von Überladung und Überhitzung verringert sich die Batteriekapazität und damit die 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 Prozesses ist der Moment, in dem die Batteriespannung ihr Maximum erreicht und dann zu sinken beginnt. Die maximale Spannung an der Batterie entspricht einer Vollladung, in [2] wird jedoch gezeigt, dass sie eine Folge der Erwärmung der Batterie während des Ladewiederherstellungsprozesses ist. Der Maximalwert ist insbesondere bei Ni-MH-Akkus sehr gering (ca. 10 mV), weshalb zur Erkennung ADCs oder Spannungs-Frequenz-Wandler verwendet werden [2]. Beim Laden einer Batterie wird die maximale Spannung der verschiedenen Elemente zu unterschiedlichen Zeiten erreicht, daher empfiehlt es sich, jedes Element separat zu steuern. Darüber hinaus gibt es Batterien mit einer anormalen Ladekennlinie, bei denen dieses Maximum fehlt. Mit anderen Worten reicht es nicht aus, nur die Spannung zu überwachen; es ist auch notwendig, sowohl die Temperatur als auch die durch die Batterie fließende 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 mit der Zeit exponentiell abnehmen, mit einer Zeitkonstante, die dem Produkt aus der äquivalenten Batteriekapazität und dem Widerstandswert dieses Widerstands entspricht. In der Praxis unterscheidet sich die Zeitabhängigkeit des Ladestroms von der Exponentialfunktion, da sich während des Ladevorgangs die äquivalente Kapazität und der Ausgangswiderstand der Quelle ändern. Aber selbst wenn wir diesen Unterschied vernachlässigen, ist der wichtigste Parameter – die Ladezeitkonstante – unbekannt, wodurch es unmöglich ist, die durch die Batterie geleitete Ladung zu kontrollieren. Deshalb 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: I = l0exp(-t/T0), (1) wobei t die Zeit ist; l0 - anfänglicher Ladestrom; T0 ist die Ladezeitkonstante. In diesem Fall erhält jede Batterie eine Ladung q, die durch den Ausdruck geschätzt wird q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0. (2) Graphen der Abhängigkeiten von I und q von der Zeit t sind in Abb. 1 dargestellt. eines.
Es ist zu erkennen, dass die Ladung während der Zeit 0Т0,95 einen Wert von 0I0Т0 erreicht und sich dann dem Wert I0Т0 annähert. Es wird empfohlen, die Werte von I0 und TXNUMX gemäß den Formeln auszuwählen I0 \u0d nE, T1 \u1.2,3,4d 3 h / n, wobei n \uXNUMXd XNUMX. (XNUMX) Der günstigste Wert ist n = 1. Der anfängliche Ladestrom entspricht in diesem Fall der elektrischen Kapazität E, die Ladezeit beträgt 3 Stunden (Sie können die Akkus praktisch über Nacht im Ladegerät lassen und am Morgen sind sie vollständig aufgeladen ). Ist diese Ladezeit zu lang, wird der Wert von n erhöht. Bei n = 2 sind es 1,5 Stunden bei einem anfänglichen Ladestrom von 2E. Dieser Modus ist für Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus geeignet. Durch Erhöhen von n auf 3 verringert sich die Ladezeit auf 1 Stunde, der anfängliche Ladestrom erhöht sich jedoch auf 4E. Wenn schließlich n = 45 ist, wird die Ladezeit auf 4 Minuten verkürzt und der anfängliche Ladestrom auf XNUMXE erhöht. Werte von n gleich 3 und 4 sind für Ni-Cd-Batterien akzeptabel, da ihr Innenwiderstand niedrig ist (weniger als 0,1 Ohm). Bei Ni-MH-Akkus ist ihr Innenwiderstand um ein Vielfaches höher, sodass ein hoher Strom sie zu Beginn des Ladevorgangs erhitzen kann, was inakzeptabel ist. Werte von n größer als 4 werden nicht empfohlen. Sie können I0 um 5 % größer als den durch Formel (3) ermittelten Wert wählen. Dann beträgt die genaue Ladezeit 3 h/n und eine weitere Aufladung von 5 % ist unbedeutend. Das Funktionsprinzip des Gerätes ist in Abb. 2.
Ein auf eine Spannung U1l vorgeladener Kondensator mit einer Kapazität C0 wird über einen Stromverstärker A1 mit einem Eingangswiderstand Rin und einer Stromverstärkung Ki entladen. Der Strom im Eingangskreis des Verstärkers Iin |P wird durch den Ausdruck bestimmt lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (vier) Der Strom im Ausgangskreis des Verstärkers I = Kilin lädt die Batterie GB1: I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) wobei S = Ki/Rin die Steigung der Verstärkerverstärkung ist, wenn er als Spannungs-Strom-Wandler betrachtet wird. Wenn wir (2) und (5) vergleichen, haben wir Т0 = RinC1, I0 = KU0/Rin = SU0.(6) Es ist zweckmäßig, U0 = 1 V, C1 = 1000 μF zu wählen, dann folgt aus (3) Rin = 3,6 MOhm/n, S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) Beispielsweise sollten mit E = 1 Ah und n = 1 die folgenden Parameter sein: Rin = 3,6 MOhm, S = 1 A/V, K = 3600000 = 131 dB. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 3 dargestellt. XNUMX.
Der Stromverstärker besteht aus dem Operationsverstärker DA2.1 und den Transistoren VT2 und VT3. Die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers wird durch die DA1-Mikroschaltung stabilisiert. Der Knoten am Transistor VT1 steuert die Größe dieser Spannung. Im Normalzustand ist dieser Transistor geöffnet, Strom fließt durch die Wicklung von Relais K1, die Kontakte von Relais K1.1 sind geschlossen, die LED HL1 leuchtet und signalisiert den normalen Betrieb des Geräts. Der Schalter SA1 wählt den Lademodus: Gleichstrom (wenn seine Kontakte geschlossen sind) oder exponentiell abnehmend (wenn sie geöffnet sind). Die Widerstände R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung am Motor des variablen Widerstands R3 bestimmt den Ladestrom. Im Modus „Konstant“ wird diese Spannung über den Widerstand R1 und die geschlossenen Kontakte des Relais K1.1 dem nichtinvertierenden 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 K, = R5/R11 beträgt bei den im Diagramm angegebenen Nennwerten ungefähr 107, und die Steigung der Spannungsumwandlung b beträgt S=1/R11=ZA/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 der Strom im Lademodus mit abnehmendem Strom ausgeschaltet wird, schließt der Transistor VT1 und das Relais öffnet die Kontakte K1.1, wodurch eine weitere Entladung des Kondensators C2 verhindert wird. Die HL1-LED erlischt und signalisiert einen Stromausfall. Bei Wiederherstellung der Stromversorgung öffnet der Transistor VT1, das Relais K1 schließt die Kontakte K1.1 und der Batterieladevorgang wird automatisch ab dem Stromwert fortgesetzt, bei dem er unterbrochen wurde. Die HL1-LED leuchtet wieder auf und signalisiert damit, dass der Ladevorgang fortgesetzt wurde. Durch Drücken der Taste SB1 können Sie beim Entfernen der Ladekennlinie den Ladevorgang kurzzeitig unterbrechen. In diesem Fall verhindert der Kondensator C4, dass Netzwerkrauschen in den Operationsverstärkereingang eindringt. Das Gerät ist auf einer Universalleiterplatte montiert und in einem Gehäuse mit den Maßen 310x130x180 mm untergebracht. Batterien der Größe AA werden in einer Mulde auf der oberen Abdeckung des Gehäuses platziert. Die Kontaktbuchsen bestehen aus Klebebandstücken aus verzinntem Blech, die von einer Feder aus einem Standardfach für ein AA-Element gegen die Batterien gedrückt werden. Durch die Feder fließt kein Strom. Es ist zu beachten, dass handelsübliche Kunststofffächer nur für Ströme von maximal 500 mA geeignet sind. Tatsache ist, dass der Strom, der durch die Kontaktfedern fließt, diese erwärmt, und auch die Batterien erwärmen sich. Bereits bei einer Stromstärke von 1 A erhitzen sich die Federn so stark, dass sie die Wand des Kunststoffgehäuses des Fachs zum Schmelzen bringen und eine weitere Verwendung unmöglich machen. Der Transistor VT3 ist auf einem Lamellenkühlkörper mit einer Fläche von 600 cm2 installiert, die Diode VD2 ist auf einem Plattenkühlkörper mit einer Fläche von 50 cm2 installiert. Der Widerstand R11 besteht aus drei parallel geschalteten MLT-1-Widerständen mit einem Widerstand von 1 Ohm. Alle Hochstromverbindungen bestehen aus Kupferdrahtstücken mit einem Querschnitt von 3 mm2, die direkt an die Klemmen der entsprechenden Teile angelötet 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 – alle KP501- und VT2-Serien müssen einen statischen Basisstromübertragungskoeffizienten h21E von mindestens 100 haben. Der Transistor KT853B (VT3) unterscheidet sich dadurch, dass sein h21E 1000 übersteigt. Transistoren anderer Typen können als VT2, VT3, aber die Gesamtverstärkung des Stroms muss 100 überschreiten. Der Kondensator C2, der die Ladezeitkonstante T0 festlegt, muss eine stabile Kapazität haben, die nicht unbedingt dem im Diagramm angegebenen Nennwert entsprechen muss, da der erforderliche Wert von T0 beim Setup durch Auswahl des Widerstands R5 eingestellt wird. Der Autor verwendete einen Jamicon-Oxidkondensator mit großer Spannungsreserve (25-fach). Das Relais K1 ist ein Reedschalter EDR2H1A0500 von ECE mit einer Spannung 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 Version des Autors wird das Gerät M4200 für den Strom verwendet). Sicherung FU1 ist ein selbstrückstellender MF-R300 von BOURNS [10]. Beim Einrichten des Geräts kommt es darauf an, den erforderlichen Wert der Ladezeitkonstante T0 einzustellen, der gemäß Formel (3) ausgewählt wird. Der Widerstandswert des Widerstands R5 wird gemäß Formel (7) gleich Rin gewählt, unter der Annahme, dass die Kapazität des Kondensators C2 genau 1000 μF beträgt. Anstelle von Batterien ist ein digitales Amperemeter im Lieferumfang enthalten. Vor dem Einschalten der Stromversorgung, sowohl beim Laden der Batterien als auch beim Einrichten des Geräts, wird der Schieber des variablen Widerstands R3 in die untere Position (gemäß Diagramm) verschoben und die Kontakte des Schalters SA1 geschlossen (dies ist erforderlich, um den Kondensator C2 zu entladen). ). Schalten Sie dann den Strom ein und stellen Sie durch Bewegen des Schiebereglers des Widerstands R3 den Anfangsstrom l0 auf etwa 1 A ein. Anschließend wird SA1 in die Position „Abnehmend“ verschoben. Nach der Zeit T1 (ungefähr gleich T0) wird der Strom i1 gemessen. Der eingestellte Widerstandswert des Widerstands R5* wird nach der Formel R5* = R5[ln(l0/I1)] berechnet. Schließlich installieren Sie den Widerstand R5 mit einem Widerstandswert, der diesem eingestellten Wert entspricht. Vor dem Laden müssen Akkus auf eine Spannung von 1...1,1 V entladen werden, um eine Überladung und die Entstehung des Memory-Effekts zu verhindern [2]. Sollten die Akkus beim Entladen heiß werden, sollten sie vor dem Laden auf Umgebungstemperatur (0...+30 °C [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) und SA1 in der Position „Konstant“ befindet. Als nächstes legen Sie unter Beachtung der Polarität die Batterien ein, schalten den Strom ein und stellen mit dem variablen Widerstand R3 den Anfangsstrom l0 gemäß Formel (3) ein. Danach wird SA1 in die Position „Abnehmend“ geschaltet und nach der ZTO-Zeit sind die Batterien betriebsbereit. 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
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