Аккумуляторы
Никель-металлгидридные аккумуляторные
жүктеу/скачать 7,53 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 2.3. Конструкция никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов
- Цилиндрические аккумуляторы
- Призматические аккумуляторы
- Таблеточные аккумуляторы
- Минусовый вывод
- 2.5. Методы заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей
- Управление временем заряда по таймеру
- 2.6. Особенности заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей
- 2.7. О зарядных устройствах никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей
2.2. Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи Разработка никель-металлгидридных аккумуляторных батарей началась в 1970 г. в результате изобретения способа сохранения водорода в никель-водородных батареях. Никель-водородные батареи используются до сих пор главным образом в спутниковой аппаратуре. Они громоздки, имеют емкости высокого давления для хранения водорода, и каждая из них стоит тысячи долларов. В ранних экспериментах с никель-металлгидридными аккумуляторами металлгидридные сплавы в их среде работали нестабильно, и требуемой емкости батарей достичь не удавалось. Поэтому их развитие задерживалось до тех пор, пока в 80-х годах прошлого века не были разработаны новые металлгидридные сплавы, которые работали стабильно. С тех пор конструкция никель-металлгидридных батарей постоянно совершенствовалась в сторону увеличения их энергетической плотности. Успех распространению никель-металлгидридных батарей обеспечили высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, применяемых при их производстве. По сравнению с 14 Никель-кадмиевые и никель-метамгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 15 
Фото 2
никель-кадмиевыми современные никель-металлгидридные батареи имеют более высокую — почти на 40 % — энергетическую плотность. Имеется возможность и для дальнейшего ее повышения, но не без некоторых нежелательных побочных эффектов. Как и никель-кадмиевым, никель-металлгидридным аккумуляторным батареям присущ высокий саморазряд. Если никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в первые 24 часа после заряда, которая затем снижается примерно на 10 % каждый месяц, то никель-металлгидридные батареи теряют за такое же время в 1,5 раза большую емкость. Подбор металлгид-ридных материалов, улучшающих водородные связи и уменьшающих коррозию сплава, позволяет уменьшить скорость саморазряда, однако при этом увеличивается цена и снижается энергетическая плотность аккумуляторной батареи. При заряде никель-металлгидридных батарей протекают реакции у положительных пластин: Ni(OH)2 + ОН- -> NiOOH + Н2О + е-; у отрицательных пластин: М + Н2О + е- -> МНП0ГЛ + ОН-, где М — сплав, поглощающий водород; Нпогл — поглощенный сплавом водород.
емкость на 30—40 % выше емкости никель-кадмиевых ба тарей, и имеется потенциал для увеличения их энергетиче ской плотности; значительно меньшая, чем у никель-кадмиевых батарей, подверженность «эффекту памяти» (но нельзя сказать о его отсутствии вообще); простота хранения и транспортировки — не требуется ре гулярного контроля; экологически чистые — содержат только очень слабые токсины, возможна вторичная переработка. Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных батарей: ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки. Емкость снижается уже после 200—300 циклов заряд/разряд. При эксплуатации более предпочтителен ча стичный разряд, нежели полный; ограниченный ток разряда — хотя эти аккумуляторы и до пускают высокие токи разряда, повторяющиеся разряды 16 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 17 Рис. 2.2. Устройство никель-кадмиевого аккумулятора при таких токах существенно снижают срок службы батарей. Наилучшие результаты при эксплуатации батарей получаются в том случае, если ток разряда составляет 0,2...0,5С (С — Capacity — емкость батареи); необходимость более сложного алгоритма заряда, поскольку в его процессе выделяется большое количество тепла; высокий саморазряд — почти на 50 % больший, чем у никель-кадмиевых батарей. Новые химические добавки снижают саморазряд, но при этом уменьшается и энергетическая плотность батарей; при хранении при повышенных температурах емкость батарей снижается. Никель-металлгидридные батареи следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %; необходимость ухода — батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации; относительно высокие цены — цены на эти батареи в среднем на 20 % больше, чем на аналогичные никель-кадмиевые батареи. 2.3. Конструкция никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов На заре своего развития, в 1700—1800 гг., корпуса аккумуляторов представляли собой стеклянные стаканы. Позднее в их качестве стали использовать деревянные контейнеры, которые изнутри покрывались герметиком во избежание протечек электролита. Когда возникла необходимость уменьшить габариты элементов батарей, были созданы цилиндрические элементы. После Второй мировой войны применение цилиндрических элементов в батареях стало стандартом. Потребность в малогабаритных аккумуляторных батареях вела к дальнейшему уменьшению геометрических размеров элементов. В результате в 1980-х годах были разработаны таблеточные элементы, позволявшие выпускать аккумуляторные батареи малых размеров с достаточно высоким выходным напряжением. В начале 1990-х годов, в результате совершенствования конструкции га-летных элементов, появились призматические элементы. Цилиндрические аккумуляторы Цилиндрические аккумуляторы продолжают оставаться наиболее широко распространенным типом элементов аккумуляторных батарей. Их преимущества: простота производства и хорошие механические характеристики. Цилиндр способен выдерживать высокие давления. В процессе заряда давление внутри элемента никель-кадмиевой аккумуляторной батареи может достигать 1379 килопаскалей (кПа), или 14 кг/м2. Аккумуляторы имеют систему вентиляции, которая срабатывает, если давление газов внутри элемента возрастает до 10,5... 14 кг/м2. В настоящее время все выпускаемые цилиндрические элементы имеют собственный механизм внутренней вентиляции для отвода газов, выделяющихся при их заряде и разряде. Никель-кадмиевые элементы имеют систему вентиляции клапанного типа (рис. 2.1). 
Верхний контакт Вентиляц. отверстие Вентиляц. отверстие Уплотнит.-кольио Корпус клапана Вентиляц. отверстие Мембрана На рис. 2.2 показано внутреннее устройство цилиндрического элемента никель-кадмиевой аккумуляторной батареи. Отрицательные и положительные пластины скручены вместе и помещены в металлический цилиндр. Их разделяет сепаратор, увлажненный электролитом. Металлич. корпус Клапан Рис. 2.1. Устройство и принцип работы системы вентиляции цилиндрических элементов 
Вывод"+" Корпус Резиновый уплотнитель Плюсовой вывод Уплотнительное кольцо Плюсовой токосъемник Вентиляционный клапан Изолирующее кольцо Плюсовой токосъемник Негативные пластины Сепаратор Позитивные пластины Никелированный минусовый вывод Рис. 2.3. Устройство никель-металлгид-ридного аккумулятора Внутреннее устройство цилиндрического никель-металлгидрид-ного аккумулятора показано на рис. 2.3. 18 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Цилиндрические аккумуляторы имеют умеренные цены и обладают высокой энергетической плотностью. Их применяют для питания средств радиосвязи, мобильных компьютеров, медицинского оборудования, электроинструмента и других устройств, в которых не требуется применения аккумуляторов сверхмалых размеров. Среди всех типов аккумуляторов, выпускаемых в цилиндрических корпусах, наибольший выбор представлен никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными аккумуляторами. Недостатком батарей с цилиндрическими элементами является недостаточное использование объема корпуса. При сборке батарей в корпусе остаются полости, заполненные воздухом. По этой причине корпуса таких батарей часто имеют сложную внутреннюю форму, чтобы таких полостей не было. 19 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи В целом процесс производства никель-металлгидридных аккумуляторов показан на рис. 2.4. Процесс производства никель-кадмиевых аккумуляторов от него не отличается. Призматические аккумуляторы Призматическая форма характерна для некоторых типов никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов и батарей. В таких аккумуляторах позитивные и негативные пластины набраны в виде сэндвича и разделены между собой сепараторами. «Сэндвич» из пластин вставлен в корпус и герметизирован. Конструкция призматического аккумулятора показана на рис. 2.5. 
Изоляционная прокладка Изолятор Негативная пластина Плюсовой вывод Самоуплотняющийся вентиляционный клапан Уплотнитель Плюсовой токосъемник Позитивная пластина Сепаратор Формовка элемента Корпус, соединенный с минусом Прессовка корпуса и выводов Ультразвуковой Запрессовка контроль качества выводов Заливка электролита Контроль напряжения Готовая продукция Рис. 2.4. Процесс производства никель-металлгидридных аккумуляторов Рис. 2.5. Конструкция призматического аккумулятора Таблеточные аккумуляторы Таблеточные элементы были разработаны в целях миниатюризации аккумуляторных батарей и удобства их сборки из таких элементов. В настоящее время рыночный сектор этих элементов довольно узок. Неперезаряжаемые элементы применяют в электронных часах, слуховых аппаратах и устройствах памяти. Перезаряжаемые таблеточные элементы применяются в беспроводных телефонах, медицинских приборах и в промышленном инструменте. Хотя они имеют небольшие габариты и невысокую стоимость производства, их недостаток — раздувание при быстром заряде из-за отсутствия системы отвода газов. По этой причине время заряда таблеточных аккумуляторов составляет 10...16 часов. 20 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 21 2.4. Конструкции никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей Фирмы-производители аккумуляторных батарей выпускают аккумуляторные батареи собственной конструкции, которые имеют фирменные обозначения и маркировку. 
Плюсовой вывод Предохранитель. POLYSWITCH 
Минусовый вывод Негативные пластины Позитивные пластины Основным и наиболее рациональным способом производства никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей является их сборка из определенного количества однотипных аккумуляторов (рис. 2.6). Сразу следует обратить внимание: соединение элементов между собой производится перемычками с использованием точечной сварки. Соединять аккумуля- Рис. 2 6. Процесс сборки аккумуляторных батарей для мобильных телефонов (пример)
Фирма Panasonic выпускает никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи следующих типов (рис. 2.7): F-типа (F Туре), в которых элементы расположены в ряд, соединены между собой последовательно никелированны ми перемычками и скреплены термоусадочной трубкой; комбинированные F-типа (Composite F Туре), в которых элементы расположены в 2—5 рядов, соединены последо вательно и скреплены термоусадочной трубкой; L-типа (L Туре), в которых элементы расположены после довательно в осевом направлении, соединены между собой последовательно никелированными перемычками и скреп лены термоусадочной трубкой; комбинированные L-типа (Composite L Туре), в которых элементы расположены последовательно в осевом направ лении в 2—5 рядов, соединены между собой последовате льно никелированными перемычками и скреплены термо усадочной трубкой. 
L Type Б  олее наглядно конструкция батарей F- и L-типов представлена на рис. 2.8. Из него видно, что кроме аккумуляторов, они
Composite L Type F  Type
Composite F Type 
Рис. 2 7. Типы аккумуляторных батарей производства фирмы Panasonic 22 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 23 Вывод
.Термоусадочная пленка Вывод
Термоусадочная пленка Элемент батареи 
 L Элемент батареи Термопрёдохранитель
а) конструкция батареи F-типа б) конструкция батареи L-типа Рис. 2.8. Конструкция аккумуляторных батарей L- и F-типов имеют еще один обязательный элемент — термопредохранитель. Батареи таких типов могут иметь корпус из пластмассы. Их выводы могут быть выполнены либо в виде пластин определенной конфигурации и размеров (табл. 2.1), либо из проволоки определенного сечения (табл. 2.2). Обычно плюсовому выводу батареи соответствует красный провод, минусовому — черный. Таблица 2.1
Таблица 2.2
Для закрепления элементов используют термоусадочные трубки из поливинилхлорида толщиной 0,1...0,2 мм соответствующего диаметра. В качестве элемента защиты для предупреждения перезаряда и перегрева применяются термопредохранители, термисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, плавкие предохранители, токовая защита и другие компоненты. Они могут применяться индивидуально или в сочетании с другими элементами защиты. Кроме того, Panasonic предлагает еще и встроенные элементы для защиты по питанию устройства — потребителя энергии. Батареи, выпускаемые компанией Golden Peak (GP), имеют собственную маркировку. Например, маркировка аккумуляторной батареи GP60AAS4B1P означает следующее: GP6QAAS 4 В 1 Р ,1 23 45
— тип элемента (см. таблицы в приложении); — количество элементов в батарее; — конфигурация батареи (рис. 2.9); — код, обозначающий тип выводов: — полосковый для пайки; — для установки на печатную плату (оба одинаковые); 3 — для установки на печатную плату (плюс — двойной, минус — одинарный);
— в виде провода для пайки; — короткий полосковый; — со свинцовым проводом; 5 — код, обозначающий направление выводов: Р — выводы направлены в противоположные стороны; Н — выводы направлены в одну сторону. На практике в портативных устройствах на проволочные выводы часто устанавливают соединители для удобства подачи питания на плату электронного устройства. К ним относятся: универсальный соединитель MU; соединитель MJ (JST EHR-2); соединитель ML (Molex 5264-02); соединитель MS (Mitsumi M63M83-02). Их внешний вид представлен на рис. 2.10. 24 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 25 
Рис. 2.9. Конфигурации аккумуляторных батарей GP и соответствующие им коды 
MU JST EHR-2 ML Molex 5264-02 MS Mitsumi M63M83-02 Универсальный соединитель типа MU Рис. 2.10. Внешний вид соединителей для подключения батарей к печатным платам Производители аккумуляторных батарей (речь идет, прежде всего, о компаниях мирового масштаба, чья продукция славится своим качеством) делают все возможное, чтобы пользователь мог избежать любых неприятностей, связанных с нарушениями режима их эксплуатации. Поэтому батареи таких производителей — это не просто сборка из аккумуляторов, соединенных перемычками, но и различные дополнительные элементы или устройства: плавкие предохранители, предохранители многократного действия POLYSWITCH™, термисторы, термовыключатели и многое другое. Обо всех таких хитроумных устройствах будет рассказано далее, а пока важно знать, что батарею не просто нужно собрать, подобрав однотипные согласованные по емкости и внутреннему сопротивлению аккумуляторы, но и предусмотреть наличие в ней встроенных устройств, которые обеспечат ее защиту и эффективный режим заряда. 2.5. Методы заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей Аккумуляторные батареи в качестве источников питания могут использоваться циклически или в режиме ожидания. Циклическое использование является основным вариантом их применения, и оно характеризуется периодическим зарядом и разрядом батарей, когда они являются основным источником питания. Использование их в режиме ожидания характерно для применения в источниках и системах бесперебойного питания, системах аварийного освещения и т. д., отличающихся тем, что основным источником питания нагрузки является сеть переменного тока, а аккумуляторная батарея начинает работать при сбоях в ее работе. Соответственно режиму использования различаются и методы заряда аккумуляторных батарей (табл. 2.3). Следует отметить, что в литературе часто пишут о двух взаимосвязанных группах вариантов применяемых методов заряда: методы заряда по его скорости (т. е. по времени заряда ба тареи до ее приведения в рабочее состояние); методы заряда по способу отключения аккумуляторной ба тареи по его окончании, при котором обеспечивается кон троль одного или нескольких ее параметров, и при харак терном изменении одного из них происходит прекращение цикла заряда. Первая группа более точно определяет методы заряда, а вторая их уточняет. Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей можно использовать один из трех методов заряда (по скорости заряда): нормальный или медленный заряд (Slow Charge); быстрый заряд (Quick Charge); скоростной заряд (Fast Charge). 26 Никель-кадмиевые и никелъ-металлгидридные батареи Таблица 2.3
Основные характеристики каждого из этих методов приведены в табл. 2.4. Но в ней методы заряда представлены несколько в ином свете. А именно — по способу завершения цикла заряда. Поясним: метод управления временем заряда по таймеру является частным случаем нормального заряда; на него похож метод быстрого заряда, но он предусматривает не отключение батареи по сигналу таймера, а контроль за напряжением заряда и завершение цикла заряда по достижении напряжения конца заряда; к методу скоростного заряда относятся методы ΔV- и ΔТ-заряда. В табл. 2.4 приведены также и характеристики струйной подзарядки, но этот метод, поскольку не является основным, в дальнейшем детально не рассматривается. Таблица 2.4 
28 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Нормальный заряд При нормальном заряде зарядное устройство представляет собой источник постоянного тока, в выходную цепь которого последовательно включено сопротивление, обеспечивающее ограничение тока заряда до необходимой величины (рис. 2.11). Рассчитать зарядный ток несложно: 
Рис. 2.11. Схема зарядного устройства нормального заряда 
Рис. 2.12. Особенности заряда большого числа однотипных аккумуляторов (а) и аккумуляторов различной емкости (б) При заряде батареи из нескольких аккумуляторов необходимо, чтобы они были однотипны, чтобы последовательно было включено как можно меньшее их количество, чтобы в цепи не было ни одного неисправного аккумулятора. В случае, если необходимо одновременно зарядить большое количество аккумуляторов, целесообразно использовать их смешанное включение (рис. 2.12, а). Если же требуется зарядить аккумуляторы разной емкости, то группы следует составить из одинаковых аккумуляторов, и для каждой группы использовать свой реостат (рис. 2.12, б). Ввиду того что на переменном сопротивлении, используемом в качестве реостата, рассеивается большая мощность, такой реостат должен быть проволочным и с высокой Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 29 мощностью рассеивания, определяемой током нагрузки. Рассчитать минимальную мощность реостата можно по формуле: P = I2R. Нельзя допускать перезаряда батарей в режиме нормального заряда. Это приводит к их повышенному нагреву, быстрому старению и выходу из строя. Временная характеристика нормального заряда приведена на рис. 2.13. 
Рис. 2.13. Временная характеристика нормального заряда Примечание. В отечественной технике, особенно в военной, до сих пор все еще широко применяются негерметичные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, в которые заливается жидкий электролит (раствор щелочи плотностью 1,12..1,14 кг/л). Перед их зарядом необходимо вывинтить невыпадающие пробки для отвода газов, а по окончании заряда снова их завинтить, но только после остывания батарей, иначе их раздует. Ток нормального заряда для этих батарей составляет 0,25С, а время заряда — 8 ч. Обозначение типа таких батарей наносится на корпус, например, 2НКП-24, где 2 — количество элементов, НК — тип элемента — никель кадмиевый, П — особенности конструкции пластин, в данном случае — прессованные, 24 — емкость, Ач. Управление временем заряда по таймеру Зарядное устройство, работающее по методу управления временем заряда по таймеру, работает в два этапа: заряд батареи током 0,2С с переключением ее через 6 ч в режим струйной подзарядки током 0,05С. Его структурная схема представлена на рис. 2.14, а временные характеристики процесса заряда — на рис. 2.15. 30 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 31 
Контроллер тока заряда Контроллер тока заряда Термопредохранитель Ист. питания зарядного устройства Ист. питания зарядного устройства Детектор тока Таймер Общий таймер Рис. 2.14. Структурная схема зарядного устройства с управлением по таймеру 
Останов таймера Рис. 2.15. Временная характеристика заряда с управлением по таймеру Использование зарядных устройств с таймером позволяет уменьшить время заряда более чем в 2 раза по сравнению с зарядными устройствами нормального заряда, увеличить срок службы аккумуляторных батарей. Однако такие устройства нельзя применять в тех приложениях, в которых из-за сравнительно частых включений и выключений таймер перезапускается, т. е. процесс заряда, не завершившись, запускается вновь. Быстрый заряд В зарядных устройствах, работающих по методу быстрого заряда, отключение батареи по окончании заряда производится путем контроля напряжения на ней. Как только оно достигнет определенной величины, произойдет переключение батареи в режим струйной подзарядки. Структурная схема устройства быстрого заряда приведена на рис. 2.16. При таком способе заряда необходимо учитывать и влияние температуры окружающей среды. Для этой цели в цепь управления компаратора включен термистор RT. Для того чтобы защитить батарею от перезаряда и перегрева, имеется два устройства защиты — таймер и термопредохранитель, установленные внутри ее корпуса. Рис. 2.16. Структурная схема устройства быстрого заряда Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он практически не применяется по той причине, что очень трудно согласовать батарею с зарядным устройством: для разных батарей напряжение отключения различно. Поскольку подобрать его трудно, возможен как недозаряд, так и перезаряд батареи, а это недопустимо. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда приведена на рис. 2.17. 
Рис. 2.17. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда Скоростной заряд Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей лучше всего применять метод скоростного заряда (Fast Charge). Нормальный (медленный) заряд приводит к кристаллизации элементов батареи, что снижает их емкость и срок службы. Несмотря на то, что для борьбы с эффектом памяти (уменьшение емкости из-за кристаллизации аккумуляторов) применяют специальные методы, которые позволяют восстановить емкость батареи, срок ее службы при этом все равно снижается. Температура батареи при заряде должна быть умеренной, а нахождение ее при максимально допустимой температуре должно быть как можно меньше. 32 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 33 
Рис. 2.18. Временная характеристика ΔV-заряда Перепад напряжения -ΔV, который имеет место в течение первых 5 мин с момента начала цикла скоростного заряда Порог переключения в режим струйной подзарядки по достижении напряжения на элементе 1,95 В Момент перехода из режима скоростного заряда в режим струйной подзарядки Начальный (инициирующий) заряд током 0,2С Струйная подзарядка током 0.05С в течение 15 ч Батареи этих типов не рекомендуется оставлять в зарядном устройстве более чем на несколько дней, даже при правильно установленной величине тока в режиме струйной подзарядки. Для борьбы с эффектом памяти необходимо один раз в месяц производить контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) — полностью разрядить батарею током нормального разряда, а затем немедленно зарядить ее. Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Его называют отрицательным дельта V (в англоязычной технической литературе — Negative Delta V, или сокращенно NDV). В отечественной литературе такой метод заряда называют методом отрицательного ΔV-заряда, подчеркивая небольшое падение напряжения в конце заряда, или просто методом ΔV-заряда. Снижение напряжения в конце заряда для никель-кадмиевых батарей составляет 10...30 мВ на элемент. Метод ΔV-заряда особенно хорошо использовать для определения времени конца заряда в зарядных устройствах герметичных никель-кадмиевых батарей, поскольку он обеспечивает быстрое время отклика. Хороших результатов при его использовании добиваются и при подзарядке частично или полностью заряженных батарей. При включении на зарядку, например, полностью заряженной батареи напряжение на ней сначала резко возрастет, а затем сразу же резко снизится, что приведет к прерыванию процесса заряда. Такой цикл продлится всего лишь несколько минут, в течение которых батарея не успеет нагреться. Чем лучше зарядное устройство «чувствует» ΔV, тем качественнее произойдет процесс заряда. На рис. 2.18 изображена временная характеристика ΔV-заряда. Если характеристика на рис. 2.18 отображает всего лишь принцип ΔV-заряда, то на рис. 2.19 изображена реальная характеристика ΔV-зарядного устройства. Из нее видно, что процесс заряда начинается с инициирующего (начального) заряда током около 0,2С. Он особенно необходим, если батарея полностью разряжена. После этого этапа наступает этап скоростного заряда.
Рис. 2.19. Реальная характеристика работы скоростного ΔV-зарядного устройства В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения (-ΔV), но автоматика отключения не срабатывает, т. к. она настроена так, что в течение 5 мин с момента начала скоростного заряда не реагирует на отрицательное изменение напряжения заряда. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15...20 мВ/элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С в течение 15 ч, после чего батарея отключается от цепи заряда полностью. Струйная подзарядка компенсирует ее саморазряд. Сама батарея готова к использованию практически сразу же после завершения скоростного заряда. Если элементы батареи плохо согласованы, перепад напряжения -ΔV может иметь малое значение, недостаточное для переключения зарядного устройства в режим струйной подзарядки. В этом случае предусмотрено его принудительное переключение в этот режим по достижении напряжения на элементе 1,95 В. 34 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 35 Чтобы падение напряжения на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5С. Если он меньше 0,5С, падение напряжения становится таким незначительным, что его трудно измерить, особенно если элементы батареи плохо согласованы. В батарее с несогласованными элементами каждый из них достигает состоянии полного заряда в разные промежутки времени, и величина перепада напряжения -ΔV в конце заряда батареи в целом становится менее ярко выраженной, процесс заряда не останавливается, и в результате батарея перегревается, происходит ее перезаряд. Поэтому, кроме анализа -ΔV, в зарядном устройстве, должны быть предусмотрены и другие способы прерывания процесса заряда (например, при нагреве батареи до пороговой температуры должно сработать устройство термозащиты (рис. 2.20). 
Рис. 2.20. Внутренняя схема аккумуляторной батареи, предназначенной для работы с ЗУ скоростного ΔV-заряда Наиболее совершенные зарядные устройства никель-кадмиевых батарей имеют термодатчик, контролирующий скорость нарастания температуры батареи, которую часто обозначают как ΔT/Δt (T — температура; t — время; А означает приращение), а метод заряда, при котором обеспечивается слежение за скоростью нарастания температуры батареи — методом ΔТ-заряда (дельта Т-заряда). Такой метод заряда более эффективен, чем отключение батареи при достижении ее пороговой температуры. Отключение происходит в том случае, если повышение температуры достигнет 1 °С/мин. Абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева устанавливают равным 60 °С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит более интенсивный нагрев батареи. Из-за относительно большой массы ее элементов батарея очень короткий промежуток времени работает в условиях процесса перезаряда, пока не произойдет ее отключение. Метод ΔТ-заряда используется только в зарядных устройствах скоростного заряда. Внутренняя схема батареи, предназначенной для скоростно-i о ΔТ-заряда, имеет дополнительный элемент — термистор, один сигнальный выход которого выведен на ее отдельный контакт, обозначенный буквой «Т» (рис. 2.21). Сигнал с этого контакта подается на микропроцессор или специализированную микросхему зарядного устройства и обеспечивает прекращение цикла скоростного заряда по методу ΔТ-заряда. 
Рис. 2.21. Внутренняя схема аккумуляторной батареи, предназначенной для работы со скоростным ΔТ-зарядным устройством Перезаряд особенно губительно воздействует на батарею, если по окончании заряда ее принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. Это характерно для аккумуляторных батарей радиостанций, трубок радиотелефонов, которые часто вынимают, затем снова вставляют в базовое или автомобильное зарядное устройство. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. То же самое характерно и для аккумуляторных батарей ноутбуков. Пользуясь ноутбуком, как переносным прибором, специалист, часто не задумываясь, подключает его к сетевому источнику питания, являющемуся одновременно и зарядным устройством, а затем отключает. То же самое происходит и при использовании ноутбука при обслуживании электрооборудования современных автомобилей. Частые подключения к внешнему источнику питания устройства с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными батареями делает их «глухими». Другими словами, через какое-то время они перестают «чувствовать» связь с зарядным устройством. Зарядные устройства литий-ионных батарей умеют определять степень заряда батареи (SoC — State-of-Charge), поэтому многократные подключения, например, ноутбуков с такими батареями, не приведет к срыву процесса заряда в какой-то момент. Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном заряде (ток заряда 1С) составляет 91 %, а при медленном (ток заряда 0,1С) — 71 %. Время скоростного за- 36 Никель-кадмиевые и никелъ-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 37 ряда обычно — около одного часа. Если батарея разряжена частично или ее емкость в результате эффекта памяти уменьшилась, время заряда сокращается. При нормальном (медленном) заряде его время составит около 14 ч. В течение первых 70 % времени цикла заряда никель-кадмиевая батарея заряжается почти до 100 % своей емкости. Несмотря на то, что батареей была поглощена определенная энергия, ее нагрев не происходит. Начальный зарядный ток никель-кадмиевых батарей может составлять несколько значений С без угрозы их перегрева. Этот феномен использован в ультраскоростных устройствах заряда, в которых заряд батареи до 70 % ее емкости происходит в считанные минуты. Далее он продолжается при более низких значениях тока заряда, пока батарея не зарядится полностью. По достижении порога емкости в 70 % батарея существенно утрачивает способность запасать энергию. Ее элементы начинают выделять газы. Давление их внутри корпуса увеличивается, температура батареи растет. По достижении емкости 80...90 % ее способность запасать энергию снижается еще больше. По достижении состояния полного заряда начинается перезаряд батареи. Некоторые зарядные устройства способны обеспечить индикацию степени перезаряда. На рис. 2.22 приведены зарядные характеристики элемента никель-кадмиевой батареи. Зарядные характеристики никель-металлгидридных аккумуляторов от них практически не отличаются. 
Рис. 2.22. Зарядные характеристики никель-кадмиевого аккумулятора При заряде током 1С и более никель-кадмиевые батареи сверхбольшой емкости имеют тенденцию к большему нагреву, чем стандартные батареи. Оптимальных зарядных характеристик можно добиться, если на начальном этапе процесса заряда заря- жать батарею большим током, а затем, по мере снижения способности батареи запасать энергию, этот ток уменьшать. Таким образом, можно избежать существенного нагрева аккумуляторной батареи и добиться ее полного заряда. Если после каждого импульса зарядного тока будет следовать импульс тока разряда, это улучшит способность батареи запасать энергию. Такой метод заряда, иногда называемый методом «отрыжки», методом «обратной нагрузки», а чаще всего — реверсивным зарядом, обеспечивает увеличение активной площади пластин. В результате увеличиваются энергоемкость батареи и срок ее службы. Метод обратной нагрузки также улучшает процесс скоростного заряда, т. к. способствует рекомбинации газов, выделяемых в процессе заряда. В итоге заряд сопровождается меньшим выделением тепла и становится более эффективным, чем при заряде постоянным (не импульсным) током. Более того, исследования выявили еще одно преимущество этого метода: он существенно снижает опасность кристаллизации никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличивает срок их службы примерно на 15 %. После полного заряда никель-кадмиевая батарея переходит в режим струйной подзарядки для компенсации ее саморазряда. Ток заряда в этом режиме составляет 0,033...0,05С. С целью ослабления эффекта памяти величину этого тока стараются подбирать как можно меньшей. 2.6. Особенности заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей Зарядные устройства никель-металлгидридных батарей по устройству очень похожи на зарядные устройства никель-кадмиевых батарей, но имеют более «серьезную» электронную начинку. Начнем с того, что процесс окончания их полного заряда характеризуется очень малым падением напряжения на батарее, которое при токе заряда менее 0,5С и в результате роста температуры батареи вообще незаметно. ΔV еще меньше, если элементы батареи не согласованы или идет процесс ее старения. ΔV-заряд никель-металлгидридных батарей завершается при отрицательном перепаде напряжения на элементах батарее в конце заряда 16 мВ или менее. Увеличение чувствительности узла мониторинга ΔV неэффективно, поскольку флуктуации напряже- 38 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 39 ния, помехи и шумы могут привести к ложным срабатываниям системы. Поэтому в скоростных зарядных устройствах никель-металлгидридных батарей применяют комбинированные методы заряда: ΔV-заряд, ΔТ-заряд, а также используют устройства отключения батареи при достижении порогового значения температуры (метод температурной отсечки) и отключения по сигналу таймера. Отключение батареи в процессе заряда происходит по первому сигналу от любого из перечисленных устройств. Методы ΔV-заряда или температурной отсечки обеспечивают более высокую эффективность заряда, чем менее агрессивные методы. Однако при этом срок службы батарей снижается примерно с 350...400 циклов заряд/разряд до 300 циклов. Метод ΔТ-заряда никель-металлгидридных батарей подобен такому же методу заряда никель-кадмиевых батарей. Их отключение происходит в том случае, если скорость роста температуры достигнет 1 °С/мин. При этом абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева составляет 60 °С. После окончания заряда осуществляется подзарядка током 0,1 С в течение 30 мин для обеспечения максимальной емкости батареи, а затем начинается процесс струйной подзарядки. Временной график скоростного заряда характеризуется тем, что заряд начинается током 1С, и при достижении пиковых значений напряжения батарея для охлаждения отключается на несколько минут, после чего заряд происходит при меньшем значении тока. Таким образом, заряд происходит несколькими ступенями при ступенчатом снижении его тока. Такой метод заряда, известный еще под названием «дифференциально-шаговый заряд», хорошо подходит для заряда как никель-металлгидридных, так и никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. В ходе его ток заряда изменяется в соответствии со степенью заряда батареи (State of Charge или SoC) и в начале заряда имеет большое значение, которое постепенно снижается до умеренных величин. Это позволяет предупредить перегрев батареи в конце цикла заряда, когда ее способность запасать энергию резко снижается. Для никель-металлгидридных батарей наиболее предпочтительны методы быстрого заряда, а наименее — нормальный (медленный) заряд. Особенно критичен для них выбор тока струйной подзарядки. Поскольку они плохо поглощают энергию перезаряда, ток струйной подзарядки должен быть существенно меньше, чем для никель-кадмиевых батарей. Для никель-металлгидридных батарей рекомендуется ток струйной подзарядки не более 0,05С. По этой причине зарядные устройства, предназначенные для зарядки никель-кадмиевых батарей непригодны для зарядки никель-металлгидридных, но зарядные устройства никель-металлгидридных батарей можно с успехом применять для зарядки никель-кадмиевых. Медленный заряд никель-металлгидридных батарей трудно осуществим или вообще невозможен. При токе заряда 0,1...0,ЗС определить конец заряда по скорости нарастания температуры батареи или перепаду напряжения на ней становится невозможным. Поэтому, если устройства медленного заряда и применяют, то единственный способ завершения цикла заряда — отключение по сигналу таймера. Назвать такой метод хорошим нельзя: перезаряд может привести к губительным для батареи последствиям, особенно, если она установлена на зарядку в частично разряженном или в заряженном состоянии. То же самое может иметь место, если, например, заряжать батарею, утратившую свою емкость на 50 % из-за старения: при заряде в течение фиксированного промежутка времени он должен быть рассчитан так, чтобы батарея могла получить 100 % необходимой энергии. А если она способна из этих 100 % взять только 50 %, значит, остальная энергия выделится в виде тепла (читай: произойдет перегрев батареи со всеми вытекающими последствиями). Некоторые дешевые зарядные устройства не могут обеспечить полного заряда батареи, т. к. они определяют момент конца заряда по пиковому напряжению на ней или по достижении ею пороговой температуры. Часто такие зарядные устройства рекламируют, подчеркивая их низкую цену и возможность быстро зарядить батарею. Но «не все то золото, что блестит». Обобщим особенности процесса заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей. Ток заряда для них должен быть не менее 0,5С, но не более 1С. Если ток заряда выбрать больше величины 1С, то в результате повышенного выделения газов произойдет принудительная вентиляция ее корпуса: под давлением откроется предохранительный клапан и, возможно, утечка электролита, что приведет к снижению емкости и срока службы батареи. Если начать заряд полностью разряженной батареи током скоростного заряда (0,5... 1С), то в течение цикла заряда ее ем- 40 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никелъ-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 41 кость полностью восстановить не удастся. Поэтому началу скоростного заряда должен предшествовать инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС. Как правило, его время составляет до 10 мин. После того как напряжение на ее элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать заряд током 0,5... 1С. Обычно этот процесс в зарядных устройствах автоматизирован. Для прекращения заряда по отрицательному ΔV перепаду напряжения его величина должна составлять не менее 5... 10 мВ на элемент батареи. Для прекращения заряда по увеличению скорости нарастания температуры батареи ее значение должно составлять в среднем 1...2 °С/мин. Для увеличения срока службы батарей их температура не должна превышать: 55 °С для аккумуляторов типоразмеров А, АА и D; 50 °С для аккумуляторов типоразмеров QA, ААА и призма тических; 60 °С для аккумуляторов L-A, L-fatA, SC. Данные с характеристиками аккумуляторов различных типоразмеров, выпускаемых основными производителями — компаниями GP и Panasonic, — представлены в приложениях. В качестве альтернативы струйному заряду можно использовать подзарядку никель-металлгидридных батарей импульсами тока. Этот метод наилучшим образом подходит для батарей, используемых в источниках бесперебойного питания. При этом заряд происходит импульсами тока величиной 0,1 С с паузой между ними. Длительность паузы определяется временем саморазряда. В качестве контрольной величины выступает значение напряжения на элементе: как только оно в результате саморазряда снизится до 1,3 В, следует очередной импульс тока заряда. Время заряда при использовании этого метода составляет 16 ч, и он прекращается по таймеру. 2.7. О зарядных устройствах никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей Все зарядные устройства можно разделить на две большие группы: зарядные устройства индивидуального использования и промышленные зарядные устройства. К первой группе относятся недорогие зарядные устройства, предназначенные для заряд- ки аккумуляторных батарей мобильных телефонов, портативных компьютеров и видеокамер. Они отличаются умеренным временем заряда. В отличие от них промышленные зарядные устройства предназначены для зарядки и обслуживания большого парка батарей. Такие зарядные устройства поставляются как производителями аккумуляторных батарей (часто при их обозначении применяют сокращение OEM — Original Equipment Manufacturer — производитель оригинального оборудования), так и сторонними фирмами. Если зарядные устройства OEM отвечают всем основным требованиям, то зарядные устройства от сторонних производителей, дабы заинтересовать покупателя, имеют дополнительные полезные функции. К ним относятся, например, подзарядка несимметричными импульсами тока, возможность разряда для восстановления емкости батареи, индикация состояния заряда (в технической документации обозначается как SoC — State of Charge), индикация общего состояния батареи (SoH — State of Health). Следует отметить, что продукция сторонних производителей зарядных устройств, кроме высоких характеристик и дополнительных функциональных возможностей, имеет и очень привлекательные цены. Но нельзя забывать и о том, что в продаже ест 350множество некачественных зарядных устройств, изготовленных никому не известными фирмами. Использовать их небезопасно как для здоровья аккумуляторных батарей, так и для своего собственного. Одной из проблем некоторых зарядных устройств, особенно применяемых для зарядки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, является неуправляемый перезаряд батарей. При этом сильный нагрев батарей приводит к их выходу из строя. Перезаряд обычно происходит после того, как в процессе заряда батарея станет теплой на ощупь, т. е. будет иметь температуру, близкую к температуре тела человека. Избежать нагрева батарей при заряде удается не всегда. Батарея достигает максимальной температуры в момент ее полного заряда. Ее температура в этот момент умеренна. По завершении зарядки начинает светиться индикатор готовности (Ready), и зарядное устройство переходит в режим струйной (trickle) подзарядки. Батарея постепенно остывает до комнатной температуры. Если же ее температура не снижается и остается выше комнатной, это свидетельствует о неправильной работе зарядного 42 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 43 устройства или его неисправности. В таком случае батарею нужно из него извлечь сразу же после включения индикатора ее готовности. Любое продолжение процесса заряда, даже струйного, приведет к ее выходу из строя. Особенно это предостережение относится к никель-металлгидридным аккумуляторным батареям. В режиме струйного заряда импульсами тока значительной величины они могут оставаться холодными, но при этом процессы, приводящие к их выходу из строя, будут продолжаться. Поэтому батареи при использовании подобных зарядных устройств долго служить не будут. Заряженные аккумуляторные батареи лучше хранить где-нибудь на полке, чем оставлять во включенном зарядном устройстве на несколько дней. Даже при кажущейся безопасности струйной подзарядки заряженной батареи в зарядном устройстве в никель-кадмиевых батареях происходит процесс кристаллизации химических веществ (эффект памяти). Кристаллизация уменьшает активную площадь пластин аккумулятора, что эквивалентно уменьшению емкости. Эффект памяти присущ и никель-металлгидридным батареям, но в значительно меньшей степени, что позволяет производителям и их дилерам в рекламных целях утверждать, что такие батареи этого недостатка лишены. При необходимости использования батареи через длительное время после зарядки, перед использованием ее необходимо подзарядить. Все вышесказанное не относится к литий-ионным аккумуляторным батареям. Большинство из них могут оставаться подключенными к зарядному устройству сколь угодно долго без угрозы выхода из строя. Емкость и срок службы аккумуляторных батарей очень сильно зависят от типа и качества зарядных устройств, используемых для их заряда, которые обеспечивают определенный метод заряда и выбор режима разряда. Выбор хорошего зарядного устройства для потребителя часто является вопросом второстепенной важности, особенно при использовании аккумуляторов в бытовой электронной технике. Однако это очень важный вопрос, и решать его нужно сразу, чтобы впоследствии не удивляться, почему так быстро приходится заменять дорогостоящую аккумуляторную батарею или почему она не держит заряд. В большинстве случаев деньги, вложенные в приобретение хорошего зарядного устройства, оправдывают себя в результате эффективной работы и длительного срока службы аккумуляторной батареи. Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей существует три типа зарядных устройств. К ним относятся: Зарядные устройства нормального (медленного) заряда или Slow Chargers. Зарядные устройства этого класса, применяе мые для заряда аккумуляторных батарей сотовых телефонов, иногда называют ночными. Ток нормального заряда составляет 0,1С (С — Capacity — емкость аккумуляторной батареи). Время заряда — 14... 16 ч. При таком малом токе заряда трудно опреде лить время его окончания. Поэтому обычно индикатор готовно сти батареи в зарядных устройствах для нормального заряда от сутствует. Они самые дешевые и предназначены только для за рядки никель-кадмиевых батарей. Для зарядки обоих типов аккумуляторных батарей используются другие, более совершен ные зарядные устройства. Если зарядный ток установлен прави льно, полностью заряженная батарея становится чуть теплой на ощупь. В таком случае нет необходимости немедленно отклю чать ее от зарядного устройства. В нем она может оставаться бо лее чем на один день. Но все же ее отсоединение сразу после окончания заряда — лучший вариант. При использовании таких зарядных устройствах проблемы возникают, если они использу ются для зарядки батарей малой емкости (менее 1 мА-ч), в то время как рассчитаны для работы с более мощными батареями. В таком случае батарея станет нагреваться уже по достижении 70 % своей емкости. Поскольку возможность уменьшить ток за ряда или прекратить его процесс вообще отсутствует, то во вто рой половине цикла заряда начнется процесс теплового разру шения батареи. Единственно возможный способ сохранить бата рею, это отключить ее, как только она станет теплой. В случае, если для зарядки мощной батареи используется недостаточно мощное зарядное устройство, батарея в процессе заряда будет оставаться холодной и никогда не будет заряжена до конца. Тог да из-за эффекта памяти она потеряет часть своей емкости. Устройства быстрого заряда (Quick Chargers). Они позици онируются как зарядные устройства среднего класса как по ско рости заряда, так и по цене. Заряд аккумуляторов в них происхо дит в течение 3...6 ч током около 0,ЗС. В качестве необходимого элемента они имеют схему контроля достижения батареей опре деленного напряжения в конце заряда и ее отключения в этот момент. Такие зарядные устройства обеспечивают лучшее по 44 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи сравнению с устройствами медленного заряда обслуживание батарей: батареи служат дольше, если их заряжать более сильным током, не допускать их нагрева и перезаряда. Однако разброс параметров батарей делает использование устройств быстрого заряда неэффективным. В настоящее время они уступили свое место зарядным устройствам скоростного заряда. 3. Устройства скоростного заряда (Fast Chargers). Такие зарядные устройства имеют несколько преимуществ перед зарядными устройствами других типов. Главное из них — меньшее время заряда. Хотя из-за большей мощности источника напряжения и необходимости применения специальных узлов контроля и управления такие зарядные устройства имеют наиболее высокие цены, они окупаются за счет обеспечения хороших характеристик аккумуляторных батарей и их более длительного срока службы. Время их заряда в зарядных устройствах такого типа зависит от тока заряда, степени разряда батареи, ее емкости и типа. При токе заряда 1С разряженная никель-кадмиевая батарея заряжается в среднем менее чем за один час. Если же батарея полностью заряжена, некоторые зарядные устройства переключаются в режим подзарядки пониженным током заряда и с отключением по сигналу таймера. По окончании процесса заряда зарядное устройство переключается в режим струйной подзарядки для компенсации саморазряда батареи. Современные устройства скоростного заряда обычно применяются для зарядки как никель-кадмиевых, так и никель-метал-лгидридных аккумуляторных батарей. Поскольку этот процесс происходит при повышенном токе заряда и за ним необходим контроль, очень важно, чтобы в конкретном зарядном устройстве заряжались только те аккумуляторы, перечень которых рекомендован его производителем. Некоторые батареи кодируются электрически на заводах-изготовителях с той целью, чтобы зарядное устройство могло определить их тип и основные электрические характеристики. После этого оно автоматически выставит величину тока и задаст алгоритм процесса заряда, соответствующие установленной в него аккумуляторной батарее. Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторные батареи имеют алгоритмы заряда, не совместимые с алгоритмом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей. Поэтому для заряда последних их использовать нельзя. жүктеу/скачать 7,53 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||