Итак, аккумуляторы надо заряжать. В этом
их существенное отличие от батареек. Но
прежде чем говорить о зарядных
устройствах, коротко остановимся на
основных методах заряда наиболее
распространенных типов аккумуляторов.
Следует отметить, что методы заряда
аккумуляторов на основе никеля отличаются
от методов заряда литий-ионных
аккумуляторов. Поэтому при заряде
последних обращайте внимание на то, в
какое зарядное устройство вы их
вставляете. Иными словами, не всякое
зарядное устройство для никель-кадмиевых (NiCd)
и никель-металл гидридных (NiMH)
аккумуляторов годится для заряда литий-ионных
(Li-ion) аккумуляторов.
Несколько слов о терминологии. Емкость
аккумулятора обычно обозначается буквой
"C" (capacity). Когда говорят о разряде,
равном 1/10 C, то это означает разряд током,
равным десятой части от величины
номинальной емкости аккумулятора. Так,
например, для аккумулятора емкостью 1000 мА*час
это будет разряд током 1000/10 = 100 мА.
Теоретически аккумулятор емкостью 1000 мА*час
может отдавать ток 1000 мА в течение одного
часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мА в
течение 100 часов. Практически же, при
высоких значениях тока разряда
номинальная емкость никогда не
достигается, а при низких токах
превышается.
Аналогично при заряде аккумуляторов,
значение 1/10 C означает заряд током,
численно равным десятой части заявленной
емкости аккумулятора.
Методы заряда NiCd и NiMH
аккумуляторов
Существующие методы можно разделить на 4
основные группы:
Сразу оговорюсь: разделение это
достаточно условно и зависит от фирмы-изготовителя
аккумуляторов. Подход к вопросу о заряде
аккумуляторов примерно такой: фирма
разрабатывает различные типы
аккумуляторов под различные применения и
устанавливает для каждого типа
рекомендации и требования по наиболее
благоприятным методам заряда. В
результате одинаковые по внешнему виду (размерам)
аккумуляторы (одиночные элементы) могут
потребовать применения различных методов
заряда.
Медленный метод заряда.
При таком методе возможно несколько
вариантов: заряд полупостоянным током и
заряд постоянным током.
При заряде полупостоянным током
начальное значение тока устанавливается
примерно равным 1/10С. По мере продолжения
заряда это значение уменьшается. Время
заряда примерно 15-16 часов. Практически
метод реализуется зарядом через
токозадающий резистор от источника
постоянного напряжения. Медленный заряд
током в 1/10C - обычно безопасен для любого
аккумулятора.
При заряде постоянным током значение
тока величиной 1/10 С поддерживается в
течение всего времени заряда. (Рис.1)
Рисунок 1. Медленный метод заряда
NiCd и NiMH аккумуляторов
Во время заряда наблюдается повышение
напряжения на элементе аккумулятора. По
достижении полного заряда и при
перезаряде напряжение начинает
уменьшаться.
Сокращение времени заряда в 2 - 2.5 раза
возможно при увеличении тока до 0.2 С, но при
этом необходимо ограничить время заряда 6 -
8 часами.
Метод быстрого заряда.
Разновидностью медленного заряда
является метод быстрого заряда, при
котором используется ток заряда величиной
от 0.3 до 1.0C. Но при этом возможен перегрев
аккумулятора, особенно при токах заряда
близких к 1C. Для исключения перегрева и
определения момента окончания заряда
аккумулятора, в последний встраивается
термопредохранитель и термодатчик.
Термодатчик используется для измерения
температуры, изменение которой
рассматривается в качестве критерия для
прекращения заряда. Дело в том, что при
достижении полного заряда, температура
элементов аккумулятора резко повышается.
И когда она повысится на 10 градусов
Цельсия и более по отношению к окружающей
среде, заряд необходимо прекратить, или
перейти в режим медленного заряда. При
любом методе заряда в случае, если
применяются большие токи заряда,
дополнительно требуется
предохранительный таймер.
Метод дельта V заряда.
Это наилучший и пожалуй основной метод
быстрого заряда NiCd и NiMH аккумуляторов.
Сущность метода заключается в измерении
изменения напряжения на аккумуляторе для
определения (фиксирования) момента
полного заряда и необходимости его
прекращения.
Если измерять напряжение на выводах
аккумулятора во время заряда постоянным
током, то можно заметить, что напряжение
сначала медленно повышается, а в точке
полного заряда будет кратковременно
уменьшаться. Величина уменьшения
небольшая, примерно 15 - 30 мВ на элемент для
NiCd и 5 - 10 для NiMH, но явно выражена. Этот
небольшой спад напряжения и принимается
за критерий прекращения заряда. Кроме того,
метод дельта V заряда почти всегда
сопровождается измерением температуры,
что обеспечивает дополнительный критерий
оценки степени заряда аккумулятора (а для
верности зарядные устройства для больших
аккумуляторов высокой емкости обычно
имеют кроме этого и таймеры безопасности).
Рисунок 2. Метод дельта V заряда
NiCd и NiMH аккумуляторов
На рис.2 приведен график заряда с током
величиной в 1 C. После достижения полного
заряда, ток заряда уменьшается до 1/30 … 1/50C
для компенсации явления саморазряда
аккумулятора.
Существуют электронные схемы,
разработанные специально для реализации
метода дельта V заряда. Например MAX712 и MAX713.
Реализация заряда по этому методу сложнее
и дороже, чем другие, но дает хорошо
воспроизводимые результаты. В тоже время
следует отметить, что в аккумуляторе с
хотя бы одним плохим элементом из цепочки
последовательно соединенных, метод дельта
V заряда может не работать и привести к
разрушению остальных элементов.
NiMH аккумуляторы имеют специфические
проблемы с зарядом. Величина дельта V у них
очень мала, и ее труднее обнаружить, чем в
случае NiCd аккумуляторов. Поэтому некоторые
NiMH аккумуляторы имеют температурные
датчики в качестве резервного средства
для обнаружения момента полного заряда.
Реверсивный метод заряда.
В анализаторах аккумуляторов
Cadex 7000 и CASP/2000L(H) используются
реверсивные импульсные методы заряда, при
котором короткие импульсы разряда
распределяются между длинными зарядными
импульсами. Считается, что такой метод
заряда улучшает рекомбинацию газов,
возникающих в процессе заряда, и позволяет
проводить заряд большим током за меньшее
время. Кроме того, восстанавливается
площадь активной поверхности рабочего
вещества аккумулятора, устраняя тем самым
"эффект памяти".
На рис.3 схематично изображена
временная диаграмма реверсивного метода
заряда NiCd и NiMH аккумуляторов,
реализованная в анализаторе Cadex 7000. Цифрой
1 обозначен нагрузочный (разрядный)
импульс, а цифрой 2 - зарядный.
Рисунок 3. Реверсивный метод
заряда NiCd и NiMH аккумуляторов
Величина обратного импульса
нагрузки определяется в процентах от тока
заряда в диапазоне от 5 до 12 %. Оптимальное
значение 9 %.
Метод заряда литий-ионных (Li-ion)
аккумуляторов
Для заряда Li-ion аккумуляторов
используется метод "постоянное
напряжение / постоянный ток", суть
которого заключается в ограничении
напряжения на аккумуляторе. В этом он
подобен методу заряда свинцово-кислотных
аккумуляторов (SLA). Основные отличия
заключаются в том, что для Li-ion
аккумуляторов - выше напряжение на элемент
(номинальное напряжение элемента 3.6 В
против 2 В для SLA), более жесткий допуск на
это напряжение (+ - 0.05 В) и отсутствие
медленного подзаряда по окончании полного
заряда.
Для примера приведем требования и
рекомендации по заряду и разряду литий-ионных
аккумуляторов фирмы Panasonic:
- максимальное напряжение заряда 4.2 или 4.1
вольта в зависимости от модели
аккумулятора;
- напряжение окончания разряда 3.0 вольта;
- рекомендуемый ток заряда 0.7С, ток
разряда (нагрузки) - 1С и меньше;
- если напряжение на аккумуляторе менее 2.9
вольта, то рекомендуемый ток заряда 0.1С;
- глубокий разряд может привести к
повреждению аккумулятора (т.е. должно
соблюдаться общее правило - Li-ion
аккумуляторы любят скорее находиться в
заряженном состоянии, чем в разряженном,
и заряжать их можно в любое время, не
дожидаясь разряда);
- по мере приближения напряжения на
аккумуляторе к максимальному значению,
ток заряда уменьшается. Окончание
разряда должно происходить при
уменьшении тока заряда до (0.1 … 0.07)С в
зависимости от модели аккумулятора.
После окончания заряда ток заряда
прекращается полностью.
- диапазон температур при заряде от 0 до 45
градусов Цельсия, при разряде от минус 10
до 60 градусов Цельсия.
В то время как для SLA аккумуляторов
допустима некоторая гибкость в установке
значения напряжения прекращения заряда,
то для Li-ion аккумуляторов изготовители
очень строго подходят к выбору этого
напряжения. Порог напряжения прекращения
заряда для Li-ion аккумуляторов 4.10 В или 4.20 В,
допуск на установку для обоих типов + - 0.05
В на элемент. Для вновь разрабатываемых
Li-ion аккумуляторов, вероятно, будут
определены другие значения этого
напряжения. Следовательно, зарядные
устройства для них должны быть
адаптированы к требуемому напряжению
заряда.
Более высокое значение порога
напряжения обеспечивает и большее
значение емкости, поэтому в интересах
изготовителя выбрать максимально
возможный порог напряжения без нарушения
безопасности. Однако на величину этого
порога влияет температура аккумулятора,
и его устанавливают достаточно низким
для того, чтобы допустить повышенную
температуру при заряде.
В зарядных устройствах и анализаторах
аккумуляторов, которые позволяют
изменять значение этого порога
напряжения, его правильная установка
должна соблюдаться при обслуживании
любых аккумуляторов Li-ion типа. Однако
большинство изготовителей не обозначают
тип Li-ion аккумулятора и напряжения
окончания заряда. И, если напряжение
установлено неправильно, то аккумулятор
с более высоким напряжением выдаст более
низкое значение емкости, а аккумулятор с
более низким - будет немного перезаряжен.
При умеренной температуре повреждения
аккумуляторов не происходит.
Повышение температуры аккумулятора при
заряде незначительно (от 2 до 8 градусов в
зависимости от типа и производителя)
Медленный подзаряд по окончании заряда,
характерный для аккумуляторов на основе
никеля, не применяется, потому что Li-ion
аккумулятор не терпит перезаряда.
Медленный заряд может вызвать
металлизацию лития и привести к
разрушению элемента. Вместо этого, время
от времени для компенсации маленького
саморазряда аккумулятора из-за
небольшого тока потребления устройством
защиты, может применяться
кратковременный заряд.
Li-ion аккумуляторы содержат несколько
встроенных устройств защиты: плавкий
предохранитель, термопредохранитель и
внутреннюю схему управления, которая
отключает аккумулятор в нижней и верхней
точках напряжения разряда и заряда.
Был проведен единичный
эксперимент по измерению параметров
метода реверсивного заряда NiCd и NiMH
аккумуляторов емкостью 1000 мА*час.
Измерения проводились с
помощью осциллографа, путем измерения
параметров импульса напряжения на
резисторе С5 -16В - 0.2Ом +-1%, последовательно
включенном в положительную цепь заряда
аккумулятора. По результатам измерений
получилось:
- длительность импульса "1"
составляет ~30 мс, а период следования ~200
мс;
- амплитуды импульсов тока
"1" и "2" примерно одинаковы и
равны значению тока заряда.
Дополнительная информация:
Быстрый заряд NiMH аккумуляторов
осуществляется постоянным током с
отслеживанием момента полного заряда по
моменту начала уменьшения напряжения на
и (или) максимально допустимому
приращению температуры. Типовые
характеристики быстрого заряда NiMH
аккумуляторов в зависимости от тока
заряда приведены на Рис. 3. Дополнительно
на рисунке приведены график изменения
температуры внутри аккумулятора и
изменения тока в процессе заряда.
Типовые характеристики
быстрого заряда NiMH аккумуляторов
