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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Chargeur rapide pour batteries Ni-Cd et Ni-MH. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Chargeurs, batteries, cellules galvaniques Le dispositif décrit dans l'article est conçu pour la charge accélérée des batteries Ni-Cd et Ni-MH avec un courant décroissant de façon exponentielle. Ses avantages incluent la possibilité de sélectionner le temps de charge dans la plage de 45 minutes à 3 heures, la facilité de fabrication et de réglage, l'absence d'échauffement des batteries en fin de charge, la possibilité de contrôler visuellement le processus de charge, la récupération automatique du processus lorsque l'alimentation est éteinte puis allumée, facilité d'utilisation. L'appareil peut être utilisé comme support pour mesurer les caractéristiques de charge et de décharge des batteries. Lors de la charge avec un courant constant important (0,5 E ou plus, où E est la capacité de la batterie), la batterie commence à chauffer après 75 ... 80 % de charge, et les batteries Ni-MH chauffent plus que Ni-Cd [1 ]. Une fois la batterie complètement chargée, la température augmente rapidement [1], et si ce processus n'est pas arrêté à temps, il se termine par l'allumage ou l'explosion de la batterie. La température de fin de charge recommandée est de +45 °С [2]. Cependant, ce critère ne convient qu'en cas d'urgence : la combinaison d'une surcharge avec une surchauffe réduit la capacité de la batterie et, par conséquent, raccourcit sa durée de vie. Atteindre une certaine tension sur la batterie n'est pas non plus un critère satisfaisant pour la fin du processus. Le fait est que sa valeur correspondant à une charge complète n'est pas connue à l'avance, puisqu'elle dépend de la température et de "l'âge" de la batterie. Une erreur de quelques millivolts conduit au fait que la charge de la batterie ne s'arrête jamais ou s'arrête trop tôt [3]. Lors de la charge avec un courant constant, il est facile de contrôler la charge - elle est directement proportionnelle à la durée du processus. En particulier, sa valeur peut être fixée égale à la capacité nominale de la batterie. Mais avec le temps, sa capacité diminue et à la fin de sa durée de vie elle est d'environ 80% de la valeur nominale. Ainsi, limiter la charge à la capacité nominale ne garantit pas l'absence de surcharge et de surchauffe des batteries et ne peut donc pas être le seul critère de fin de charge. Le critère le plus difficile pour la fin du processus est le moment où la tension sur la batterie atteint un maximum, puis commence à diminuer. La tension maximale sur la batterie correspond à une charge complète, mais dans [2], il est montré que c'est une conséquence de l'échauffement de la batterie en cours de récupération de charge. La valeur maximale est très faible, en particulier pour les batteries Ni-MH (environ 10 mV), donc des ADC ou des convertisseurs tension-fréquence sont utilisés pour la détecter [2]. Lors de la charge d'une batterie, la tension maximale de ses différentes cellules est atteinte à des moments différents, donc il est souhaitable de contrôler chacun d'eux séparément. De plus, il existe des batteries avec une caractéristique de charge anormale, sur lesquelles ce maximum est absent. En d'autres termes, surveiller uniquement la tension ne suffit pas, il est également nécessaire de contrôler à la fois la température et la quantité de charge qui a traversé la batterie. Ainsi, lors de la charge d'une batterie à courant constant important, il est nécessaire de contrôler chacun de ses éléments selon plusieurs critères, ce qui complique le chargeur. Seule la charge avec un courant faible (pas plus de 0,2E) ne provoque pas de surchauffe d'urgence des batteries même avec une recharge importante. Dans ce cas, l'état de chaque élément n'a pas besoin d'être surveillé, le chargeur s'avère très simple, mais son inconvénient est également évident - un long temps de charge. Il existe des chargeurs dans lesquels le courant de charge initialement important diminue avec le temps [4-6]. Dans ce cas, il n'est également pas nécessaire de surveiller l'état de chaque élément de batterie. Mais dans ces appareils, il n'y a pas de contrôle de la quantité de charge, et l'atteinte d'une certaine tension est utilisée comme critère de charge complète, ce qui, comme mentionné ci-dessus, n'est pas satisfaisant. Dans [7], un chargeur est décrit dans lequel la batterie est chargée comme un condensateur à partir d'une source de tension constante à travers une résistance. Dans ce cas, le courant de charge devrait théoriquement décroître de manière exponentielle dans le temps avec une constante de temps égale au produit de la capacité équivalente de la batterie et de la résistance de cette résistance. En pratique, la dépendance du courant de charge au temps diffère de l'exponentielle, car la capacité équivalente et l'impédance de sortie de la source changent pendant le processus de charge. Mais même si nous négligeons la différence indiquée, le paramètre le plus important - la constante de temps de charge - est inconnu, de sorte qu'il est impossible de contrôler la charge transmise à la batterie. Par conséquent, la charge se termine à nouveau lorsqu'une certaine tension est atteinte. Dans le dispositif proposé, le courant de charge sous la forme d'une impulsion décroissante de façon exponentielle est choisi car il est facile à mettre en oeuvre à l'aide du circuit RC le plus simple. Il se termine naturellement, éliminant le besoin d'une minuterie pour éteindre les batteries après un temps prédéterminé, et la charge est limitée même si les batteries sont dans le chargeur pendant une longue période. Il est essentiel que le courant de charge soit généré par un générateur de courant, afin que sa valeur et sa forme ne dépendent pas de la tension sur les batteries, ni de la non-linéarité de leurs caractéristiques de charge. Pendant la charge, le courant traversant les batteries I diminue de façon exponentielle : Je = je0exp(-t/T0), (sept)
Dans ce cas, chaque batterie reçoit une charge q, qui est estimée par l'expression q = je0Т0[1 - exp(-t/T0)] = (je0 -CE0. (2) Les graphiques des dépendances de I et q au temps t sont présentés à la fig. une.
On peut voir que pendant 3T0 la charge atteint 0,95I0T0 puis se rapproche de la valeur I0Т0. Il est recommandé de choisir des valeurs I0 et T0 formules I0 = nE, T0 = 1 h/n, où n = 1, 2, 3, 4. (3) La valeur la plus pratique est n \u1d 3. Le courant de charge initial dans ce cas est égal à la capacité électrique E, le temps de charge est de 2 heures (vous pouvez pratiquement laisser les batteries dans le chargeur pendant la nuit, et le matin elles seront complètement chargé). Si ce temps de charge est trop long, la valeur de n est augmentée. Avec n = 1,5, ce sera 2 heures avec un courant de charge initial de 3E. Ce mode convient aux batteries Ni-Cd et Ni-MH. L'augmentation de n à 1 réduit le temps de charge à 3 heure, mais le courant de charge initial augmente à 4E. Enfin, à n = 45, le temps de charge est réduit à 4 min, et le courant de charge initial est augmenté à 3E. Des valeurs de n égales à 4 et 0,1 sont acceptables pour les batteries Ni-Cd, car leur résistance interne est faible (inférieure à 4 ohm). Quant aux batteries Ni-MH, leur résistance interne est plusieurs fois supérieure, de sorte qu'un courant important peut les chauffer en début de charge, ce qui est inacceptable. Les valeurs supérieures à XNUMX ne sont pas recommandées. Je peux choisir0 5 % de plus que déterminé par la formule (3). Ensuite, le temps de charge exact sera de 3 h/n, et une recharge supplémentaire de 5 % n'est pas significative. Le principe de fonctionnement de l'appareil est illustré à la Fig. 2.
Condensateur de capacité C1, préchargé à la tension U0, est déchargée à travers l'amplificateur de courant A1 avec une résistance d'entrée Rin et un gain de courant Ki. Le courant dans le circuit d'entrée de l'amplificateur Iin est déterminé par l'expression Iin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (quatre) Le courant dans le circuit de sortie de l'amplificateur I \u1d KiIin charge la batterie GBXNUMX: I = KiU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0 exp(-t/RinС1), (5)
Pratique pour choisir U0 \u1d 1 V, C1000 \u3d 3,6 μF, puis de (XNUMX) il s'ensuit que Rin \uXNUMXd XNUMX MΩ / n S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (sept) Par exemple, avec E = 1 Ah et n = 1, les paramètres suivants doivent être : Rin = 3,6 MΩ, S = 1 A/V, Ki = 3600000 = 131 dB. Le schéma de principe de l'appareil est illustré à la fig. 3. L'amplificateur de courant est assemblé sur l'ampli-op DA2.1 et les transistors VT2 et VT3. La tension d'alimentation de l'ampli op est stabilisée par la puce DA1. Le nœud sur le transistor VT1 contrôle la valeur de cette tension. Lorsqu'il est normal, ce transistor est ouvert, le courant traverse la bobine du relais K1, les contacts du relais K1.1 sont fermés, la LED HL1 s'allume, signalant le fonctionnement normal de l'appareil. L'interrupteur SA1 sélectionne le mode de charge : courant continu (quand ses contacts sont fermés) ou décroissant exponentiellement (quand ils sont ouverts). Les résistances R2 et R3 forment un diviseur de tension. La tension sur le moteur de la résistance variable R3 détermine le courant de charge. En mode "Constant", cette tension est transmise à travers la résistance R1 et les contacts fermés du relais K1.1 à l'entrée non inverseuse de l'ampli-op. Son courant de sortie est amplifié par les transistors VT2, VT3 et est réglé de manière à ce que les tensions aux bornes des résistances R11 et R5 deviennent identiques. Le gain en courant Ki = R5/R11 et avec les calibres indiqués sur le schéma est environ égal à 107, et la pente de conversion tension-courant S = 1/R11 = 3 A/V.
En mode "Decreasing" (les contacts de l'interrupteur SA1 sont ouverts), le condensateur C2 d'une capacité de 1000 μF se décharge à travers la résistance R5 avec une constante de temps choisie par la formule (3). Le courant décroissant de manière exponentielle à travers ce condensateur est amplifié par l'amplificateur opérationnel DA2.1 et les transistors VT2, VT3 et charge les batteries connectées au connecteur X1 ("Sortie"). La diode VD2 les empêche de se décharger lorsque la tension d'alimentation est coupée. L'ampèremètre PA1 permet de contrôler la valeur actuelle du courant de charge. Le condensateur C5 empêche l'auto-excitation de l'appareil. Résistances R4, R8-R10 - limitation de courant. Ils protègent l'ampli-op et le transistor VT2 dans les situations d'urgence, par exemple lorsque la résistance R11 tombe en panne ou que le transistor VT3 tombe en panne, empêchant la défaillance d'autres éléments. Lorsque l'alimentation est coupée en mode de charge avec un courant décroissant, le transistor VT1 se ferme et le relais ouvre les contacts K1.1, empêchant une décharge supplémentaire du condensateur C2. La LED HL1 s'éteint, signalant une coupure de courant. Au rétablissement de l'alimentation, le transistor VT1 s'ouvre, le relais K1 ferme les contacts K 1.1 et la charge de la batterie reprend automatiquement à partir de la valeur de courant à laquelle elle a été interrompue. La LED HL1 s'allume à nouveau, signalant la reprise de la charge. En appuyant sur le bouton SB1, vous pouvez brièvement arrêter la charge lors de la suppression des caractéristiques de charge. Dans ce cas, le condensateur C4 empêche la pénétration des interférences du réseau à l'entrée de l'ampli-op. L'appareil est monté sur un circuit imprimé universel et logé dans un boîtier aux dimensions de 310x130x180 mm. Les piles AA sont placées dans une rainure sur le couvercle supérieur du boîtier. Les douilles de contact sont réalisées sous la forme de morceaux de ruban étamé, qui sont pressés contre les piles par un ressort à partir d'un compartiment standard pour une pile AA. Aucun courant ne traverse la source. Il convient de noter que les compartiments en plastique disponibles dans le commerce ne conviennent que pour des courants ne dépassant pas 500 mA. Le fait est que le courant qui traverse les ressorts de contact les chauffe, tandis que les batteries chauffent également. Déjà à un courant de 1 A, les ressorts chauffent tellement qu'ils font fondre la paroi du boîtier en plastique du compartiment, rendant son utilisation ultérieure impossible. Le transistor VT3 est monté sur un dissipateur nervuré d'une surface de 600 cm2, diode VD2 - sur un dissipateur thermique à plaques d'une surface de 50 cm2. La résistance R11 est composée de trois résistances MLT-1 connectées en parallèle avec une résistance de 1 ohm. Toutes les connexions à courant fort sont réalisées avec des morceaux de fil de cuivre d'une section de 3 mm2, qui sont soudés directement aux conclusions des parties correspondantes. L'ampli op K1446UD4A (DA2) peut être remplacé par une puce K1446UD1A ou une autre de ces séries, mais parmi les deux amplis op, vous devez choisir celui avec la tension de polarisation la plus faible. Le deuxième amplificateur opérationnel peut être utilisé dans le cadre d'un pont sensible à la température [8] pour l'arrêt d'urgence des batteries lorsqu'elles surchauffent pendant la charge CC (aucune surchauffe des batteries n'a été observée lors de la charge avec un courant décroissant). Dans le cas de l'utilisation d'autres types d'amplificateurs opérationnels, il convient de garder à l'esprit que dans cette conception, son alimentation est unipolaire, elle doit donc être opérationnelle à tension nulle sur les deux entrées. Le microcircuit KR1157EN601A (DA1) est remplaçable par le stabilisateur de cette série d'indice B, ainsi que par le microcircuit de la série K1157EN602, cependant ce dernier a un "pinout" différent [9]. Transistor VT1 - l'une des séries KP501, VT2 doit avoir un coefficient de transfert de courant de base statique h21E pas moins de 100. Le transistor KT853B (VT3) est différent en ce que son h21E dépasse 1000. D'autres types de transistors peuvent être utilisés comme VT2, VT3, mais le gain de courant total doit dépasser 100000 XNUMX. Condensateur C2, qui fixe la constante de temps de charge T0, doit avoir une capacité stable, pas nécessairement égale à la valeur nominale indiquée sur le schéma, puisque la valeur requise de T0 défini lors du réglage de la sélection de la résistance R5. L'auteur a utilisé un condensateur à oxyde Jamicon avec une grande marge de tension (25 fois). Relais K1 - interrupteur à lames EDR2H1A0500 de ECE avec une tension et un courant de fonctionnement, respectivement, 5 V et 10 mA. Un remplacement possible est un relais de fabrication nationale KUTs-1 (passeport RA4. 362.900). L'ampèremètre PA1 doit être conçu pour le courant de charge maximal (dans la version de l'auteur, l'appareil M4200 pour un courant de 3 A a été utilisé). Le fusible FU1 est un MF-R300 à réarmement automatique de BOURNS [10]. L'établissement de l'appareil est réduit au réglage de la valeur requise de la constante de temps de charge T0sélectionné par la formule (3). La résistance de la résistance R5 est choisie égale à Rin selon la formule (7), en supposant que la capacité du condensateur C2 est exactement de 1000 µF. Au lieu de piles, un ampèremètre numérique est inclus. Avant de mettre sous tension, à la fois lors de la charge des batteries et lors de la configuration de l'appareil, le curseur de la résistance variable R3 est déplacé vers la position inférieure (selon le schéma) et les contacts de l'interrupteur SA1 sont fermés (cela est nécessaire pour décharger le condensateur C2). Ensuite, mettez sous tension et, en déplaçant le curseur de la résistance R3, réglez le courant initial I0 environ 1 A. Ensuite, SA1 est transféré à la position "Decreasing". Après le temps T1 (approximativement égal à T0) mesurer le courant I1. La valeur de résistance corrigée de la résistance R5* est calculée par la formule R5* = R5[ln(I0/I1)]. Enfin, une résistance R5 est installée avec une résistance égale à cette valeur corrigée. Les batteries avant la charge doivent être déchargées à une tension de 1...1.1 V pour éviter leur surcharge et la manifestation de l'effet mémoire [2]. Si les batteries deviennent chaudes pendant la décharge, elles doivent être refroidies à température ambiante (0...+30 °С [2]) avant la charge. Avant de connecter les batteries au chargeur, vous devez vous assurer qu'il est hors tension, que le curseur de la résistance R3 est en position basse (selon le schéma) et que SA1 est en position "Constante". De plus, en respectant la polarité, installez les piles, mettez sous tension et utilisez la résistance variable R3 pour régler le courant initial I0 par la formule (3). Après cela, SA1 est transféré en position "Decreasing", et après un temps de 3T0 les piles sont prêtes à l'emploi. Pour alimenter l'appareil, vous avez besoin d'une source de tension de 8 à 24 V, qui peut être non stabilisée. Vous pouvez charger de une à dix cellules en même temps. La tension d'alimentation minimale, compte tenu de l'ondulation, doit être de 2 V par cellule plus 4 V (mais dans les limites spécifiées). L'appareil peut être utilisé comme support pour prendre non seulement les caractéristiques de charge, mais également de décharge des batteries. Dans ce dernier cas, la batterie testée doit être connectée à l'appareil en polarité inversée. La tension sur ses électrodes doit être surveillée en permanence avec un voltmètre. Il ne doit pas être autorisé à changer sa polarité, afin de ne pas provoquer de destruction d'urgence de la batterie. Pour cette raison, il n'est pas recommandé de décharger une batterie de plusieurs cellules connectées en série de cette manière, car il est possible de manquer le moment de défaillance de la cellule avec la plus petite capacité. littérature
Auteur : M. Evsikov, Moscou ; Publication : cxem.net
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