Зарядное устройство для NiMH аккумулятора
Недавно получил комплект никель-металлогидридных аккумуляторных (NiMH) батарей для шуруповерта «Bosch» 14.4V, 2.6Ah. Аккумуляторы фактически имели малую емкость, хотя эксплуатировались под нагрузкой лишь незначительное время и имели малое число циклов разряд(работа) — заряд. По этой причине решил разобрать батареи, выполнить их поэлементные замеры для определения характеристик и возможного восстановления, использования «выживших» элементов в других самоделках требующих отдачи большого тока в короткое время. Эта работа поэтапно описана в заметке «Автоматическое устройство для разряда аккумулятора».
После разборки батареи
был выполнен подготовительный разряд элементов на указанном устройстве, с контролем по минимальному остаточному напряжению 0,9. 1,0 вольт, для исключения глубокого разряда. Далее потребовалось простое и надежное зарядное устройство для их полной зарядки.
Требования к зарядному устройству
Производители NiMH аккумуляторов рекомендуют выполнять заряд с величиной тока в интервале 0,75-1,0С. При этих режимах, КПД процесса зарядки, большую часть цикла, максимально высокий. Но к моменту окончания процесса зарядки, КПД резко снижается и энергия переходит в выделение тепла. Внутри элемента резко растёт температура и давление. Аккумуляторы имеют аварийный клапан, который может открыться при увеличении давления. При этом свойства аккумулятора будут безвозвратно потеряны. Да и сама высокая температура оказывает негативное влияние на структуру электродов батарейки.
По этой причине, для никель-металлогидридных аккумуляторов очень важным является контроль режимов и состояния батареи при зарядке, момента окончания процесса зарядки, для исключения перезаряда или разрушения аккумулятора.
Как указывалось, в конце процесса заряда NiMH аккумуляторной батареи её температура начинает расти. Это является основным параметром для отключения заряда. Обычно в качестве критерия прекращения заряда берётся рост температуры более чем на 1 градус за минуту. Но при небольших токах заряда (менее 0,5С), когда температура растёт достаточно медленно, это обнаружить сложно. Для этого может быть использовано абсолютное значение температуры. Таким значением принимают 45-50°C. В этом случае заряд должен быть прерван, и возобновлён (при необходимости) после остывания элемента.
Также необходимо установить ограничение по времени заряда. Его можно рассчитать по емкости батареи, величине тока зарядки и КПД процесса, плюс 5-10 процентов. В этом случае, при нормальной температуре процесса, зарядное устройство отключают по установленному времени.
При глубоком разряде NiMH аккумулятора (менее 0,8В) ток заряда, предварительно, устанавливается на уровне 0,1. 0,3С. По времени этот этап ограничен и составляет около 30 минут. Если за это время аккумулятор не восстанавливает напряжения 0,9. 1,0В, то элемент беспереспективен. В положительном случае, далее выполняют заряд с увеличенной величиной тока в интервале 0,5-1,0С.
И еще, о сверхбыстром заряде аккумуляторных батарей. Известно, что при заряде до 70% своей ёмкости никель-металлогидридный аккумулятор имеет КПД зарядки близкий к 100 процентам. Поэтому, на этом этапе возможно увеличить ток для ускоренного его прохождения. Токи в таких случая ограничивают значением 10С. Высокий ток легко может привести к перегреву аккумулятора и разрушению структуры его электродов. Поэтому использование сверхбыстрого заряда рекомендуется только при постоянном контроле процесса зарядки.
Процесс изготовления зарядного устройства для NiMH аккумулятора рассмотрен ниже.
1. Установление исходных данных.
— Зарядка элемента постоянной величиной тока 0,5. 1,0С до номинальной емкости.
— Выходной ток (регулируемый) – 20. 400 (800) ma.
— Стабилизация выходного тока.
— Выходное напряжение 1,3. 1,8 В.
— Входное напряжение — 9. 12 В.
— Входной ток — 400 (1000) ma.
2. В качестве источника питания для ЗУ выбираем мобильный адаптер 220/9 вольт, 400 ma. Возможна замена на более мощный (например, 220/1,6. 12В, 1000 ma). Изменений в конструкции ЗУ при этом не потребуется.
3. Рассмотрим схему зарядного устройства
Вариант конструкции зарядного устройства аккумулятора представляет собой узел стабилизации и ограничения тока и выполнен на одном элементе операционного усилителя (ОУ) и мощном составном n-p-n транзисторе КТ829А. ЗУ дает возможность регулировки тока заряда. Стабилизации установленного тока происходит за счет повышения или понижения выходного напряжения.
В точке соединения резистора R1 и стабилитрона VD1 образуется стабильное опорное напряжение. Изменяя величину напряжения, снятого с потенциометра R2 резисторного делителя, на неинвертирующем входе операционного усилителя (вывод 3), изменяем величину выходного напряжения (вывод 6), а следовательно и ток через VТ1. Резистором R5 ограничиваем ток в цепи заряжаемого аккумулятора. Изменение падения напряжения на R5 при отклонении зарядного тока, через обратную связь (ООС) на инвертирующий вход ОУ (вывод 2), корректирует и стабилизирует выходной ток ЗУ. Установленный R2 ток будет стабилен до конца зарядки этого и последующих однотипных аккумуляторов.
Данная схема стабилизатора тока весьма универсальна и может применяться для ограничения тока в различных конструкциях. Схема легка в повторении, состоит из простых и доступных радиокомпонентов и при верном монтаже сразу начинают работать.
Особенностью данной схемы является возможность применить имеющиеся в наличии операционные усилители с напряжением питания на уровне 12В, например, К140УД6, К140УД608, К140УД12, К140УД1208, LM358, LM324, TL071/081. Транзистор КТ829А — основной силовой элемент и весь ток проходит по нему, поэтому обязательно устанавливается на теплоотвод. Выбор транзистора определяется необходимым зарядным током установленным для зарядки аккумулятора.
4. Выбираем корпус для зарядного устройства. Он определит форму, конструкцию, условия теплоотвода и внешний вид ЗУ. В данном случае выбран алюминиевый аэрозольный баллон. Удаляем его верхнюю часть.
5. Отрезаем от универсальной монтажной платы часть, равную по ширине внутреннему диаметру баллона. Желательно плотное, без качки, вхождение платы в баллон.
6. Комплектуем ЗУ деталями согласно схемы. Аэрозольный колпачок по размеру хорошо подходит в качестве ручки потенциометра.
7. Закрепляем транзистор на радиаторе и устанавливаем радиатор на краю платы, согласно фото.
8. Припаиваем выводы транзистора к контактным площадкам платы.
9. Распаиваем сопротивление, ограничивающее максимально возможный ток заряда аккумулятора. Так как весь ток заряда проходит через резистор R5, то для лучшего охлаждения резистора, он набран из широко распространенных (МЛТ-1) четырех паралельно соединенных резисторов по 22 ома, мощностью по 1 вт. Дополнительно, последовательно установлен резистор на 1,8 ома мощностью 5 вт. Общее сопротивление R5 составило около 7 ом ( средней мощностью 4 вт). Сопротивление и комплектация резисторов зависят от планируемого тока зарядки и наличия деталей у изготовителя.
10. Соберем управляющую часть ЗУ на макетной монтажной плате. Присоединим изготовленную силовую часть ЗУ и подключим нагрузку – заряжаемый аккумулятор. Для проверки работы и отладки режимов, подключим ЗУ к регулируемому блоку питания. Проверяем диапазон регулировки зарядного тока, при необходимости подбираем величину резисторов R2 и R3.
11. Переносим управляющую часть ЗУ на рабочую платку
12. На плате, сбоку, устанавливаем гнездо для подключения блока питания ЗУ (адаптера или другого БП).
13. Устанавливаем ЗУ в корпус, расположив радиатор в его верхней (открытой) части.
Предварительно сверлим в нижней цилиндрической части корпуса ряд отверстий диаметром 6 мм. Рабочее положение корпуса ЗУ вертикальное, поэтому в нем, аналогично печной трубе, создается естественная тяга. Воздух, нагреваемый резисторами и радиатором поднимается из корпуса вверх, затягивая холодный в нижние отверстия. Такая вентиляция работает эффективно, потому что значительный нагрев радиатора при 2-х, 3-х часовой работе ЗУ, практически не ощущается нагревом корпуса.
14. Зарядное устройство собрано рабочим комплектом и испытано под нагрузкой, полной зарядкой десятка аккумуляторов. ЗУ работает стабильно. При этом периодически ведётся контроль расчетного времени зарядки, а также температуры аккумулятора для отключения ЗУ при критических значениях. Использование «крокодильчиков» для подключения аккумулятора позволяет подключить к ЗУ контрольный амперметр (мультиметр) для регулировки зарядного тока. При зарядке последующих однотипных элементов, амперметр не нужен.
Источник
Зарядное устройство для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов
| Андрей Шарый, с.Кувечичи, Черниговская область, Украина. E-mail andrij_s (at) mail.ru |
В наше время существует огромное количество типов зарядных устройств для никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов типоразмера АА или ААА. Существуют различные методики зарядки. Самая древняя и она же самая щадящая по отношению к аккумулятору — это зарядка стабильным током 0,1 от емкости, выраженной в ампер-часах до достижения напряжения на элементе 1,45-1,5 В, на что обычно требуется 12-14 часов.
Способы более быстрой зарядки большими токами часто оказываются губительными для здоровья аккумулятора, потому что должны индивидуально соответствовать конкретно взятому типу аккумулятора, что далеко не всегда реализуемо в зарядном устройстве: не станет же пользователь каждый раз перестраивать зарядное устройство или закупать абсолютно одинаковые аккумуляторы во всю аппаратуру, потому без крайней надобности быструю зарядку лучше не использовать. Если аккумулятор никель-кадмиевый, то перед зарядкой его нужно разрядить до напряжения 1 В, иначе он будет терять емкость, особенно, если каждый раз его заряжать не полностью разряженным, но такие аккумуляторы уже используются очень редко, на смену им приходят NiMH элементы, обладающие большей удельной емкостью и не склонные к эффекту памяти, однако имеющие значительно меньший ресурс количества циклов заряд-разряд. Существуют конечно фирменные зарядные устройства, учитывающие все нюансы правильного заряда аккумуляторов. Они определяют степень заряженности по напряжению на аккумуляторе или (и) по небольшому спаду напряжения в конце зарядки (дельта-U чувствительные устройства), контролируют они также и температуру аккумулятора. Но такие устройства очень дороги. Кроме того, готовые зарядные устройства часто заряжают последовательно соединенные 2 или 4 аккумулятора, что есть очень неправильно, поскольку при зарядке последовательно соединенных аккумуляторов практически невозможно обеспечить одинаковую степень их заряженности. Аккумуляторы часто имеют хоть и незначительный, но все же заметный разброс в параметрах, потому обеспечить их правильный заряд можно только контролируя процесс каждого аккумулятора отдельно.
Понятно, что изготовить в домашних условиях устройство, учитывающее все тонкости заряда практически невозможно — получится дороже готового фирменного. Таким образом, ставилась задача создать максимально простое зарядное устройство, которое будет однако абсолютно безопасным для здоровья аккумуляторов и максимально универсальным, подходящим для разных аккумуляторов, имеющихся в хозяйстве. Исходя из этого был выбран алгоритм зарядки стабильным током 200 мА для элементов типоразмера АА и 75 мА для аккумуляторов ААА. Степень заряженности определяется по напряжению на одном отдельно взятом аккумуляторе. Как показала практика, для здоровья аккумуляторов не страшно довольно значительное (-50 +100%) отклонение зарядного тока от положенных 0,1 от емкости. Намного опаснее недо- или перезаряд а также разная степень заряженности аккумуляторов, которые потом будут использоваться в одном устройстве. Исходя из таких соображений собрано зарядное устройство, схема которого приведена ниже.
Рис. 1. Схема зарядного устройства
Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение до 7-12 В, которое потом стабилизируется импульсным стабилизатором, реализованным на транзисторах Т1-Т4 на уровне 4,9В. При одновременной зарядке четырех аккумуляторов стабилизатор выдает ток около 1 А, но благодаря импульсному режиму работы теплоотводы транзисторам не требуются.
Делитель напряжения R8R9 создает опорное напряжение 1,4В, которое сравнивается с напряжением на аккумуляторе, который заряжается, компаратором на OP1. Резистор R7 в цепи обратной связи создает гистерезис около 0,05 В, благодаря чему после достижения напряжения на аккумуляторе 1,45В зарядка прекращается и не включается до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не снизится до 1,35 В. Такой режим работы очень важен при кратковременных отключениях напряжения во время зарядки аккумуляторов: если зарядка не была завершена, то после возобновления электроснабжения она продолжится. Кроме того, устраняются повторные включения-отключения в конце зарядки.
Зарядный ток стабилизируется генератором стабильного тока на Т5 Т6, зарядный ток задается резистором R13. Пока напряжение на аккумуляторе не достигнет установленного порога, напряжение на выходе операционного усилителя практически равно напряжению питания, следовательно транзистор Т5 открыт, генератор стабильного тока работает, светодиод LED1 (оранжевый) светится, индицируя нормальный режим заряда. Когда напряжение на аккумуляторе повысится до 1,45 В, напряжение на выходе операционного усилителя снизится почти до 0, Т5 закроется, светодиод погаснет, зарядка прекратится. Особенностью схемы является то, что светодиод LED1 кроме функций индикации играет роль источника опорного напряжения для генератора стабильного тока.
Импульсный стабилизатор напряжения может использоваться один на несколько аккумуляторов (до 4 без теплоотвода на Т1, и до 8 с теплоотводом, при соответствующей мощности сетевого трансформатора и диодного моста). Количество модулей, обведенных линией и обозначенных на схеме А1 должно быть равно количеству одновременно заряжаемых аккумуляторов.
Настройка.
Сразу после сборки приступают к налаживанию устройства. Сначала подбирая сопротивление R5 в пределах сотен Ом, устанавливают напряжение стабилизации 4,9В, в точке, обозначенной на схеме. Проверяют стабильность напряжения, при изменении нагрузки от 20 мА до 1 А оно не должно изменяться более чем на 0,05В. Если планируется заряжать не более 2 аккумуляторов, верхний предел тока может быть 0,5 А. Проверяют, чтобы не перегревался транзистор Т1. Его сильный нагрев более 50-60 o С говорит о неправильной работе стабилизатора. Потом проверяют образцовое напряжение 1,4 В, при необходимости подбирают сопротивление R9. Далее, установив в разъем разряженный аккумулятор, подбирают сопротивление R13 для обеспечения нужного зарядного тока. При использовании оранжевых светодиодов сопротивлению 3,6 Ом соответствовал зарядный ток 200 мА, при 10 Омах ток был 75 мА. На этом настройка закончена. Если зарядный ток не превышает 200 мА, то теплоотвод на Т6 не нужен.
О деталях.
Транзистор Т1 может быть любым высокочастотным, с небольшим напряжением насыщения эмиттер-коллектор в открытом состоянии. Ток коллектора должен быть более 2 А, напряжение эмиттер-коллектор не менее 40 В. В качестве этого транзистора также неплохо применить n-канальный ключевой полевой транзистор типа IRFZ44, IRF510, но тогда надо менять полярность подключения к диодному мосту на противоположную, а транзисторы Т2 и Т3 должны быть структуры n-p-n, например, КТ815 и КТ3102 соответственно, а Т4 — p-n-p, например, КТ3107. Диод D1 должен быть обязательно высокочастотным, можно с барьером Шоттки, например, 1N5819. Дроссель L1 мотают проводом диаметром около 0,8 мм (20 витков) на ферритовой чашке Б18-Б22 из феррита 1500-2500НМ с немагнитным зазором 0,1 мм. Можно с успехом использовать тороидальный сердечник из прессованного железного порошка (используются выходных в фильтрах компьютерных блоков питания). Дроссель L2 — марки ДПМ или любой готовый около 100 мкГн, обязательно на ток более 1А. Можно также намотать самому проводом не тоньше 0,8 мм на любой подходящий сердечник. Индуктивность этого дросселя может отличаться в большую сторону в несколько раз, важно, чтобы он имел очень маленькое сопротивление постоянному току. Операционный усилитель в данной конструкции применяется счетверенный, но если устройство будет на 2 аккумулятора, то можно применить и сдвоенный. Трансформатор любой сетевой, с напряжением на вторичной обмотке от 7 до 12 В, мощность примерно 1,5-2 Вт на каждый заряжаемый аккумулятор.
Диодный мост может использоваться любой подходящий на ток 1 А и более, можно и на отдельный диодах типа 1N4001.
Вариант компоновки и печатной платы устройства на 4 аккумулятора (2 АА и 2 ААА) смотрите на фото.
Рисунок 2. Печатная плата
Рисунок 3. Компоновка внутри корпуса и внешний вид
Источник