Автомат для разрядки ni-cd аккумуляторов

Взаимодействие аккумуляторов в сборке

Отдельные аккумуляторы в батарее могут иметь несколько отличающиеся
характеристики. Причиной является разброс параметров при производстве
аккумуляторов, неравномерное распределение температуры внутри батареи
при эксплуатации и разные темпы старения отдельных аккумуляторов. В
итоге при зарядке батареи аккумуляторы с меньшей емкостью будут
подвергаться перезарядке. Это вызывает дальнейшую деградацию таких
аккумуляторов и выход их из строя. С другой стороны, если один из
аккумуляторов в батарее имеет высокий саморазряд или вовсе закорочен, то
при попытке полной зарядки такой сборки перезаряд будут испытывать
исправные аккумуляторы.

Аккумуляторы с меньшей емкостью будут разрушаться и в процессе
разрядки сборки. Эти аккумуляторы окажутся разряженными раньше,
дальнейшая разрядка сборки может вызвать очень глубокий разряд таких
аккумуляторов и даже их переполюсовку. При этом температура и давление
внутри аккумуляторов будет повышаться, что может привести к их
разрушению.

В результате даже небольшое начальное различие емкости аккумуляторов в
сборке будет возрастать в процессе эксплуатации, и это может
закончиться разрушением одного из аккумуляторов. Поэтому нужно
стремиться к тому, чтобы степень зарядки отдельных аккумуляторов была по
возможности одинаковой. В идеальном случае каждый аккумулятор батареи
должен заряжаться отдельно. Однако готовые сборки аккумуляторов часто
имеют всего два вывода, поэтому заряжать можно только всю сборку сразу. В
таком случае может оказаться полезным выравнивание (balancing) степени
зарядки аккумуляторов. Выравнивание обязательно нужно производить для
новой или глубоко разряженной сборки. Перед началом выравнивания
контролируют напряжение на сборке. Если напряжение сборки менее
0.8В/акк. (т.е. в пересчете на каждый аккумулятор), то производят
зарядку до 0.8В/акк. током примерно 0.1 С. Затем нужно произвести
выравнивание, для чего следует полностью зарядить сборку током 0.3С,
ограничив процесс заряда временем 4.0-4.5 часов. Если сборка
аккумуляторов долго не находилась в эксплуатации, то рекомендуется
дополнительно произвести несколько циклов заряд-разряда стандартными
методами.

Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?

Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.

Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.

Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора — это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:

Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.

Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.

Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:

U_r = 5 — 2.8 = 2.2 Вольта

Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.

Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.

Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:

R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом

Мощность рассеивания резистора:

P_r = I2R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт

В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:

I_зар = (U_ип — 4.2) / R = (5 — 4.2) / 2.2 = 0.3 А

Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).

Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение — электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.

Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).

Зарядка при помощи лабораторного блока питания

Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).

Все, что нужно сделать для зарядки li-ion — это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.

Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.

Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.

Как видите, лабораторный БП — практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.

Устройство и принцип работы

Батарея — электрохимическое устройство, в котором электрическая энергия преобразуется и сохраняется в химической форме. Химическая энергия легко преобразуется в электрическую. NiMH работает по принципу, основанному на поглощении, высвобождении и переносе водорода внутри двух электродов.

Батареи NiMH состоят из двух металлических полос, которые выступают в качестве положительных и отрицательных электродов, а также изолирующего сепаратора из фольги между ними. Этот энергетический «бутерброд» наматывается и помещается в аккумуляторную батарею вместе с жидким электролитом. Положительный электрод обычно состоит из никеля, отрицательный — из гидрида металла. Отсюда и название «NiMH», или «никель-металл-гидрид».

Преимущества:

Содержит меньше токсинов и являются экологически чистым, поддаются переработке.
Эффект памяти выше, чем у Ni-Cad.
Гораздо безопаснее, чем литиевые батареи.

Недостатки:

Глубокая разрядка сокращает срок службы и вырабатывает тепло при быстрой зарядке и высокой нагрузке.
Саморазряд больше по сравнению с другими батареями, его нужно учитывать перед тем как заряжать NiMH.
Требуется высокий уровень технического обслуживания. Батарея должна быть полностью разряженной, чтобы предотвратить образование кристаллов в процессе зарядки.
Более дорогостоящий, чем Ni-Cad аккумулятор.

Методы зарядки никель металлогидридных аккумуляторов

Заряжать Ni-MH можно различными способами. Самый распространенный метод – подзаряд стабилизированным током. Контролируется окончание заряда по достижению номинального напряжения или, что более правильно, по снижению скорости нарастания напряжения при неизменном токе.

Зарядка постоянным током

В первую очередь надо отметить, что заряжать никель-металлогидридные элементы рекомендуется только после разряда до уровня, принятого за нулевой. Напряжение на выводах при этом составит 1 вольт. Иначе из-за наличия эффекта памяти ёмкость аккумулятора снизится.

При ускоренной зарядке повышенным током признаком окончания заряда может являться небольшое снижение напряжения на выводах элемента. Напряжение источника зарядного тока в этом случае должно составлять 1,4..1,5 вольт.

Зарядная кривая никель кадмиевого аккумулятора – хорошо заметно снижение напряжения в конце процесса

Зарядка импульсным током

Этот способ еще называется метод зарядки переменным асимметричным током. При этом положительные импульсы тока заданного размаха чередуются с отрицательными импульсами небольшой амплитуды. Этот способ позволяет бороться с таким вредным явлением, как эффект памяти. Для восстановления емкости никель-металлогидридной батареи рекомендуется использовать ЗУ с такой функцией хотя бы периодически.

Переменный асимметричный ток зарядки

Напряжение заряженного AGM аккумулятора

При выполнении зарядки запрещено превышать параметры, которые указаны в приведенной выше инструкции. Это может привести к увеличению температуры свыше 45 градусов Цельсия.

С учетом этой особенности нельзя проводить «реанимационные» процедуры, если воздух в месте зарядки прогрет свыше 30 градусов Цельсия.

Напряжение на полностью заряженном АКБ не должно быть больше 14,4 В. Заряжать до более высоких параметров не рекомендуется из-за запуска опасных процессов электролиза.

Последние могут привести к выделению газов и уходу жидкости из устройства. При этом активное испарение воды снижает ресурс АКБ и ее способность справляться с большими зарядами.

Плюсы и минусы AGM аккумулятора

Анализируя особенности технологии, необходимо учитывать преимущества и недостатки AGM аккумуляторов.

Преимущества	Недостатки
Повышенная стойкость к вибрации.	Отсутствие возможности менять плотность электролита или заливать новую жидкость. Причиной является тот факт, что АГМ нельзя обслуживать.
Возможность эксплуатации в течение всего срока без технического обслуживания.	Большой вес. Этот минус актуален для всех свинцовых АКБ.
Отсутствие требований по расположению устройства. Его можно ставить по горизонтали, вертикали и даже на бок. Но располагать вверх «ногами» все равно не рекомендуется из-за опасности для клапанов.	Высокая стоимость, если сравнивать с классическими батареями, и более низкая по отношению к гелевым изделиям.
Увеличенный ресурс даже при частых поездках по плохим дорогам.	Необходимость применения специальных зарядных устройств (ЗУ). Главной особенностью является необходимость установки 15 В, но при 14,4 В заряд также идет. Это позволяет использовать батарею на машинах с 14,5-вольтовым напряжением бортовой сети.
Низкий саморазряд в сравнении с классическими свинцово-кислотными АКБ.	Снижение напряжения при минусовой температуре.
Стабильная работоспособность до 30 градусов мороза. При более низкой температуре высок риск кристаллизации и уменьшения ресурса.	Токсичность оксида свинца, что несет риски для окружающей среды.
Увеличенная скорость заряда. На 250% быстрей, чем обычно.	Запрет к длительному хранению в разряженном виде. Напряжение не должно опускаться ниже 1,8 В.
Безопасность. При соблюдении правил зарядки исключено выделение газов и взрыв.	Количество циклов заряда-разряда — не больше 500. В зависимости от модели этот параметр может колебаться в широком диапазоне — от 100 до 4000.
Возможность применения на машинах с опцией Start-Stop.	Боязнь к повышению напряжения заряда, которое не должно быть больше 2,53 для одного АКБ.
Не боится глубокой разрядки в сравнении с другими типами АКБ. Такая особенность уменьшает негативный эффект неполной зарядки при эксплуатации в городском режиме.
Снижение негативных последствий неполной зарядки, которые часто приводят к преждевременной поломке.
Герметичность конструкции и защита от утечки рабочей жидкости. Соответственно, нет риска появления ржавчины на клеммах.
Больший пусковой ток — от 500 до 900 А в сравнении с 300-500 А для обычных устройств.

Почти все из рассмотренных выше недостатков относятся ко всем батареям, работающим на свинцово-кислотном принципе. Так что воспринимать перечисленные слабые места необходимо лишь условно.

Методы зарядки

Перед тем как зарядить батарейку пальчиковую в домашних условиях, желательно знать, какой тип контроля зарядного прибора понадобится использовать. Применяют два метода контроля заряда:

по току;
по напряжению.

Первый способ применяется для NiCd и NiMh аккумуляторных батарей, а второй для свинцово-кислотных, LiIon и LiPol батарей. Автоматические ЗУ для аккумуляторов, использующие специализированные микроконтроллеры, позволяют правильно подзарядить любой тип элементов энергии, и контролируют этапы восстановления энергии.

ЗУ с контролем тока

Такие устройства называют гальваностатическими. Главным параметром ЗУ является значение тока батареи. Правильно перезарядить аккумулятор и не ухудшить его характеристики получится при подборе величины тока и скорости заряда. Для того чтоб определить значения тока, используется равенство I= 0,1C, где C- ёмкость батарейки. Почему не рекомендуется использовать большее значение, нетрудно понять, представляя химические процессы, проходящие в гальванических устройствах. Кроме этого, во-первых, это повышенный нагрев, а во-вторых, присутствующий эффект памяти.

Но для щелочных аккумуляторов такой способ неприемлем, поэтому перезаряжать их в таком режиме нельзя. Для таких типов применяется способ прекращения заряда, когда ток не меняется в течение нескольких часов.

Способ контролирования напряжения

Вид работы основан на потенциостатическом режиме отключающий процесс заряда при достижении определённого напряжения. Для такого типа ЗУ используются различные скорости заряда. Для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных используют три скорости заряда: долгий (0,1С), быстрый (0,3С) и сверхбыстрый (1С). В процессе заряда сила тока уменьшается, а напряжение на выводах батарейки приближается к напряжению ЗУ. Считается, что таким методом невозможно полностью зарядить батарею.

Распространенные виды никелевых АКБ, их сходства и различия

Существует много , в состав которых входят различные химические соединения. В бытовом потреблении оптимально использовать никель-металлогидридные, кадмиевые и никель-цинковые элементы

Безусловно, любой батарее нужен определенный уход, поэтому всегда важно соблюдать правила эксплуатации и зарядки

Ni-MH

Никель-металлогидридные аккумуляторы — это вторичные химические источники тока с гораздо большей емкостью, чем их предшественники — , однако срок службы их меньше. Одна из популярных сфер применения никелевых элементов — моделестроение (кроме авиации, по причине того, что батарея довольно тяжела по весу).

Первые разработки этих элементов начались в 70-х годах ХХ века с целью усовершенствовать Сd аккумуляторы. Спустя 10 лет, в конце 80-х, удалось добиться того, что химические соединения, используемые при создании Ni-MH аккумуляторов, стали более стабильными. К тому же, они гораздо меньше подвержены «эффекту памяти», чем Ni-Cd: не сразу «запоминают» ток заряда, оставшийся внутри в случае, если элемент до использования не был разряжен полностью. Поэтому полный разряд им требуется не так часто.

Ni-Cd

Несмотря на то, что Ni-MH имеют ряд очевидных преимуществ перед Ni-Cd, стоит отметить, что последние не теряют своей популярности. Главным образом потому, что не так сильно нагреваются при зарядке засчет большего сохранения энергии внутри элемента. Как известно, есть различные типы химических процессов, протекающих между веществами.

Если заряжать Ni-MH, реакции будут экзотермическими, а если кадмиевые аккумуляторы — эндотермическими, что и обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия. Таким образом, Cd можно зарядить более высоким током, не опасаясь перегрева.

Ni-Zn

В последнее время большое внимание обсуждению в Интернете уделяется батарейкам, в состав которых входит цинк. Они не настолько известны потребителям, как предыдущие, но идеально подходят для использования в качестве элементов питания к цифровым фотоаппаратам

Главная их особенность — это высокое напряжение и сопротивление, благодаря чему даже к концу цикла «заряд-разряд» не наблюдается резкого падения напряжения, как у заряда Ni. Если в фотоаппарате находятся металлогидридные аккумуляторы, он будет выключаться даже в том случае, если батарея не разряжена до конца, а у Ni-Zn такого нет даже в конце разряда.

В связи со спецификой этих батареек, для них может потребоваться индивидуальное зарядное устройство, либо их можно заряжать на любом универсальном «умном» подзаряднике, например, ImaxB6. Ni-Zn аккумуляторы также прекрасно подходят для применения в электрических детских игрушках и тонометрах.

Способы зарядки аккумулятора

В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические
преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти
преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие
«КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающая
от зарядного устройства, которая накапливается в аккумуляторе. Значение
КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при
других — ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что
позволяет производить зарядку большими токами, не опасаясь перегрева
аккумулятора. Химические реакции, которые протекают в NiMH аккумуляторе
при его зарядке, являются экзотермическими, в отличие от NiCd
аккумуляторов, где они эндотермические. Это означает, что КПД зарядки
NiMH аккумуляторов ниже, и они более сильно нагреваются в процессе
зарядки, что требует более тщательного контроля процесса зарядки.

Скорость зарядки аккумулятора зависит от величины зарядного тока. Ток зарядки обычно измеряют в единицах С, где С — численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин,
но принято считать, что ток 1С для аккумулятора емкостью 2500 мА/ч
равен 2500 мА. По скорости различают несколько видов зарядки:

капельная зарядка (trickle charge)
быстрая зарядка (quick charge)
ускоренная зарядка (fast charge)

Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1С, быстрая
зарядка — током порядка 0.3С, ускоренная зарядка — током 0.5-1.0С. На
самом деле принципиальных отличий между быстрой и ускоренной зарядкой
нет, они отличаются лишь предпочтительными методами определения конца
процесса зарядки. Поэтому есть смысл разделять только два вида зарядки:
капельная и быстрая.

К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током большим 0.1С.
Принципиальным отличием капельной и быстрой зарядки является то, что при
быстрой зарядке зарядное устройство должно автоматически заканчивать
процесс, пользуясь определёнными критериями. При капельной зарядке
окончание процесса можно не детектировать, а аккумулятор может
находиться в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго.

Особый случай.

Внимание!
Производители не гарантируют нормальную работу аккумуляторов
при зарядных токах превышающих ток ускоренной зарядки
Iзар должен быть меньше емкости
аккумулятора. Так для аккумуляторов емкостью 2500ма*час он должен
быть ниже 2,5А

Бывает, что NiMH элементы после
разрядки имеют напряжение менее 1,1 В. В этом случае необходимо
применить прием описанный в приведенной выше статье в журнале МИР
ПК. Элемент или последовательная группа элементов подключается к
источнику питания через автомобильную лампочку 21 Вт.

Еще раз обращаю Ваше внимание! У таких
элементов обязательно надо проверить саморазряд! В большинстве
случаев именно элементы с пониженным напряжением имеют
повышенный
саморазряд. Эти элементы проще выкинуть

Зарядка предпочтительна индивидуальная для каждого элемента.

Для двух элементов напряжением 1,2 В зарядное напряжение
не должно превышать 5-6В. При форсированной зарядке лампочка
одновременно является индикатором. При снижении яркости лампочки
можно проверить напряжение на NiMH
элементе. Оно будет больше 1,1 В. Обычно, эта начальная, форсированная зарядка
занимает от 1 до 10 минут.

Если NiMH элемент, при форсированной
зарядке в течении нескольких минут не увеличивает напряжение,
греется — это повод снять его с зарядки и отбраковать.

ВЫВОДЫ:

Рекомендую применять зарядные устройства только с возможностью
тренировки (регенерации) элементов при перезарядке. Если нет таких,
то через 5-6 рабочих циклов в аппаратуре, не дожидаясь
полной потери емкости, производить их тренировку и
отбраковывать
элементы имеющие сильный саморазряд.

И они Вас не
подведут.

В одном из форумов прокомментировали эту статью
«написано тупо, но больше ничего нет
«. Так Вот это не»тупо», а просто и
доступно для выполнения на кухне каждому кто нуждается в
помощи.
Т.е. максимально просто. Продвинутые могут поставить
контроллер, подключить компьютер, …… , но это уже
другая история.

Чтобы не казалось тупо

Существуют «умные» зарядники для
NiMH элементов.

Такой зарядник работает с каждым аккумулятор
отдельно.

Рис. 5

Он умеет:

индивидуально работать с каждым
аккумулятором в разных режимах,
заряжать аккумуляторы в быстром и медленном
режиме,
индивидуальный ЖК дисплей для каздого
аккумуляторного отсека,
независимо заряжать каждый из аккумуляторов,
заряжать от одного до четырех аккумуляторов
разной емкости и типоразмера (АА или ААА),
защищать аккумулятор от перегрева,
защищать каждый аккумулятор от перезарядки,
определение окончание зарядки по падению
напряжения,
определять неисправные аккумуляторы,
предварительно разряжать аккумулятор до
остаточного напряжения,
восстанавливать старые аккумуляторы
(тренировка заряд-разряд),
проверять емкость аккумуляторов,
отображать на ЖК дисплее: — ток заряда,
напряжение, отражать текущую емкость.

Самое главное, ПОДЧЕРКИВАЮ,
данного типа устройства позволяют работать индивидуально
с каждым аккумулятором.

По отзывам пользователей такое зарядное устройство
позволяет восстановить большинство запущенных
аккумуляторов, а исправные эксплуатировать весь
гарантированный срок эксплуатации.

К сожалению я таким зарядником не пользовался,
поскольку в провинции его купить просто невозможно, но в
форумах Вы можете найти много отзывов.

Главное не заряжайте на больших токах, не смотря на
заявленный режим с токами 0,7 — 1А, это все же
малогабаритное устройство и может рассеять мощность 2-5
Вт.

Заключение

Любое восстановление NiMh
аккумуляторов строго индивидуальная (с каждым отдельным
элементом) работа. С постоянным контролем и отбраковкой
элементов не принимающих зарядку.

И лучше всего заниматься их восстановлением с помощью
интеллектуальных зарядных устройств, которые позволяют
индивидуально выполнять отбраковку и цикл заряд — разряд
с каждым элементом. А поскольку таких устройств
автоматически работающих с аккумуляторами любой емкости
не существует, то они предназначены для элементов строго
определенной емкости или должны иметь управляемые токи
зарядки, разрядки!

И я бы не рекомендовал заниматься восстановлением
Li-ion аккумуляторов.
В критических ситуациях они склонны к разрушению с выделением большого количества энергии и
опасных химических компонентов!

Другие статьи на эту тему:

Тестирование Ni-MH аккумуляторов АА
форм-фактора. Автор данной статьи Propretor.
Секреты
«омоложения» батареи ноутбука, Вадим Логинов, Журнал «Мир ПК», #05, 2006
год.

А.Сорокин

2011 г.

<<назад>> <<
в начало>>
<<на главную
>>