1. Методи заряду NiCd і NiMH акумуляторів
2. Повільний метод заряду
3. Малюнок 1. Повільний метод заряду NiCd і NiMH акумуляторів
4. Метод швидкого заряду
5. Метод дельта V заряду
6. Малюнок 2. Метод дельта V заряду NiCd і NiMH акумуляторів
7. Реверсивний метод заряду
8. Малюнок 3. Реверсивний метод заряду NiCd і NiMH акумуляторів
9. Метод заряду літій-іонних (Li-ion) акумуляторів
10. ПОСИЛАННЯ

Старенька купила автомобіль, проїхала деяку відстань, і раптом двигун заглох. Викликана служба технічної підтримки констатувала - закінчився бензин. Дивується бабуся подає в суд: при продажу їй ніхто не пояснив, що в машину ще потрібно заливати бензин ...

Отже, акумулятори треба заряджати. У цьому їх суттєва відмінність від батарейок. Але перш ніж говорити про зарядний пристрій, коротко зупинимося на основних методах заряду найбільш поширених типів акумуляторів. Слід зазначити, що методи заряду акумуляторів на основі нікелю відрізняються від методів заряду літій-іонних акумуляторів. Тому при заряді останніх звертайте увагу на те, в яке зарядний пристрій ви їх вставляєте. Іншими словами, не всяке зарядний пристрій для нікель-кадмієвих (NiCd) і нікель-метал гідридних (NiMH) акумуляторів годиться для заряду літій-іонних (Li-ion) акумуляторів.

Кілька слів про термінологію. Ємність акумулятора зазвичай позначається буквою «C» (capacity). Коли говорять про розряд, рівному 1/10 C, то це означає розряд струмом, рівним десятої частини від величини номінальної ємності акумулятора. Так, наприклад, для акумулятора ємністю 1000 мА · год це буде розряд струмом 1000/10 = 100 мА. Теоретично, акумулятор ємністю 1000 мА · год може віддавати ток 1000 мА протягом однієї години, 100 мА протягом 10 годин, або 10 мА протягом 100 годин. Практично ж, при високих значеннях струму розряду номінальна ємність ніколи не досягається, а при низьких токах перевищується.

Аналогічно при заряді акумуляторів, значення 1/10 C означає заряд струмом, чисельно рівним десятої частини заявленої ємності акумулятора.

Отже:

Методи заряду NiCd і NiMH акумуляторів

Існуючі методи можна розділити на 4 основні групи:

• повільний заряд - заряд постійним струмом величиною 0.1 З або 0.2 С протягом приблизно 15 або 6-8 годин відповідно.
• швидкий заряд - заряд постійним струмом, рівним 1/3 С протягом приблизно 3-5 годин.
• прискорений або дельта V заряд - заряд з початковим струмом заряду, рівним величині номінальної ємності акумулятора, при якому постійно вимірюється напруга на акумулятора і заряд закінчується після того, як акумулятор повністю заряджений. Час заряду приблизно годину-півтора.
• реверсивний заряд - імпульсний метод заряду, при якому короткі імпульси розряду розподіляються між довгими зарядні імпульсами.

Відразу обмовлюся: поділ це досить умовно і залежить від фірми-виробника акумуляторів. Підхід до питання про заряд акумуляторів приблизно такий: фірма розробляє різні типи акумуляторів під різні застосування і встановлює для кожного типу рекомендації та вимоги з найбільш сприятливим методам заряду. В результаті однакові за зовнішнім виглядом (розмірами) акумулятори (поодинокі елементи) можуть потребувати застосування різних методів заряду. Ілюстрацією даного підходу можуть служити матеріали, розміщені на [ 1 ] І [ 2 ].

Повільний метод заряду

При такому методі можливо кілька варіантів: заряд полупостоянного струмом і заряд постійним струмом.

При заряді полупостоянного струмом початкове значення струму встановлюється приблизно рівним 1/10 С. У міру продовження заряду це значення зменшується. Час заряду приблизно 15-16 годин. Практично метод реалізується зарядом через токозадающій резистор від джерела постійної напруги (див. [ 1 ] Для NiCd акумуляторів). Повільний заряд струмом в 1/10 C - зазвичай безпечний для будь-якого акумулятора.

При заряді постійним струмом значення струму величиною 1/10 З підтримується протягом усього часу заряду. (Рис.1)

Малюнок 1. Повільний метод заряду NiCd і NiMH акумуляторів

Під час заряду спостерігається підвищення напруги на елементі акумулятора. Після досягнення повного заряду і при перезаряді напруга починає зменшуватися.

Скорочення часу заряду в 2-2,5 рази можливо при збільшенні струму до 0,2 С, але при цьому необхідно обмежити час заряду 6-8 годинами.

Метод швидкого заряду

Різновидом повільного заряду є метод швидкого заряду, при якому використовується струм заряду величиною від 0,3 до 1,0 C. Але при цьому його перегрівання, особливо при токах заряду, близьких до 1 C. Для запобігання перегріву і визначення моменту закінчення заряду акумулятора , в останній вбудовується термопредохранитель і термодатчик. Термодатчик використовується для вимірювання температури, зміна якої розглядається в якості критерію для припинення заряду. Справа в тому, що при досягненні повного заряду, температура елементів акумулятора різко підвищується. І коли вона підвищиться на 10 градусів Цельсія і більше по відношенню до навколишнього середовища, заряд необхідно припинити, або перейти в режим повільного заряду. При будь-якому методі заряду в разі, якщо застосовуються великі струми заряду, додатково потрібно запобіжний таймер.

Метод дельта V заряду

Це найкращий і, мабуть, основний метод швидкого заряду NiCd і NiMH акумуляторів для стільникових телефонів. Суть методу полягає у вимірюванні зміни напруги на акумуляторі для визначення (фіксування) моменту повного заряду і необхідності його припинення.

Якщо вимірювати напругу на висновках акумулятора під час заряду постійним струмом, то можна помітити, що напруга спочатку повільно підвищується, а в точці повного заряду буде короткочасно зменшуватися. Величина зменшення невелика, приблизно 15-30 мВ на елемент для NiCd і 5-10 для NiMH, але явно виражена. Цей невеликий спад напруги і приймається за критерій припинення заряду. Крім того, метод дельта V заряду майже завжди супроводжується вимірюванням температури, що забезпечує додатковий критерій оцінки ступеня заряду акумулятора (а для вірності зарядні пристрої для великих акумуляторів високої ємності зазвичай мають крім цього і таймери безпеки).

Малюнок 2. Метод дельта V заряду NiCd і NiMH акумуляторів

На рис.2 наведено графік заряду з струмом величиною в 1 C. Після досягнення повного заряду, струм заряду зменшується до 1/30 ... 1/50 C для компенсації явища саморозряду акумулятора.

Існують електронні схеми, розроблені спеціально для реалізації методу дельта V заряду. Наприклад MAX712 і MAX713. Реалізація заряду за цим методом складніше і дорожче, ніж інші, але дає добре відтворювані результати. У той же час слід зазначити, що в акумуляторі з хоча б одним поганим елементом з ланцюжка послідовно з'єднаних, метод дельта V заряду може не працювати і привести до руйнування інших елементів.

NiMH акумулятори мають специфічні проблеми з зарядом. Величина дельта V у них дуже мала, і її важче виявити, ніж в разі NiCd акумуляторів. Тому NiMH акумулятори для стільникових телефонів мають температурні датчики в якості резервного засобу для виявлення моменту повного заряду.

Інша проблема, що виникає при заряді за цим методом, полягає в тому, що при використанні в автомобілях електричні перешкоди маскують виявлення дельта V, і телефони в основному керують зарядом по температурі. Це може привести до пошкодження акумулятора, оскільки в автомобілі, телефон залишається підключеним і багаторазові запуски і зупинки двигуна має місце. Кожен раз, коли запалювання вимикається на кілька хвилин і потім включається назад, ініціюється новий цикл заряду.

Реверсивний метод заряду

В аналізаторах акумуляторів Cadex 7000 [ 3 , 4 ] І CASP / 2000L (H) використовуються реверсивні імпульсні методи заряду, при якому короткі імпульси розряду розподіляються між довгими зарядні імпульсами. Вважається, що такий метод заряду покращує рекомбінацію газів, що виникають в процесі заряду, і дозволяє проводити заряд великим струмом за менший час. Крім того, відновлюється площа активної поверхні робочої речовини акумулятора, усуваючи тим самим «ефект пам'яті».

На рис.3 схематично зображено тимчасова діаграма реверсивного методу заряду NiCd і NiMH акумуляторів, реалізована в аналізаторі Cadex 7000. Цифрою 1 позначено навантажувальний (розрядний) імпульс, а цифрою 2 - зарядний.

Малюнок 3. Реверсивний метод заряду NiCd і NiMH акумуляторів

Величина зворотного імпульсу навантаження визначається у відсотках від струму заряду в діапазоні від 5 до 12%. Оптимальне значення 9%.

Метод заряду літій-іонних (Li-ion) акумуляторів

Для заряду Li-ion акумуляторів використовується метод «постійна напруга / постійний струм», суть якого полягає в обмеженні напруги на акумуляторі. У цьому він подібний до методу заряду свинцево-кислотних акумуляторів (SLA). Основні відмінності полягають в тому, що для Li-ion акумуляторів - вище напруга на елемент (номінальну напругу елемента 3,6 В проти 2 В для SLA), більш жорсткий допуск на цю напругу (± 0,05 В) і відсутність повільного підзарядки по закінчення повного заряду.

Для прикладу наведемо вимоги і рекомендації по заряду і розряду літій-іонних акумуляторів фірми Panasonic [ 1 ]:

• максимальна напруга заряду 4,2 або 4,1 вольта в залежності від моделі акумулятора;
• напруга закінчення розряду 3,0 вольта;
• рекомендований струм заряду 0,7 С, струм розряду (навантаження) - 1 С і менше;
• якщо напруга на акумуляторі менше 2,9 вольта, то рекомендований струм заряду 0,1 С;
• глибокий розряд може призвести до пошкодження акумулятора (т. е. має дотримуватися загальне правило - Li-ion акумулятори люблять швидше перебувати в зарядженому стані, ніж в розрядженому, і заряджати їх можна в будь-який час, не чекаючи розряду);
• в міру наближення напруги на акумуляторі до максимального значення, струм заряду зменшується. Закінчення розряду має відбуватися при зменшенні струму заряду до (0,1 ... 0,07) З залежно від моделі акумулятора. Після закінчення заряду струм заряду припиняється повністю.
• діапазон температур при заряді від 0 до 45 градусів Цельсія, при розряді від мінус 10 до 60 градусів Цельсія.

Наведені вище дані можуть відрізнятися в ту чи іншу сторону для акумуляторів інших виробників.

У той час як для SLA акумуляторів імовірний певний гнучкість в установці значення напруги припинення заряду, для Li-ion акумуляторів виробники дуже строго підходять до вибору цієї напруги. Поріг напруги припинення заряду для Li-ion акумуляторів 4,10 В або 4,20 В, допуск на установку для обох типів ± 0,05 В на елемент. Для тих, що розробляються Li-ion акумуляторів, ймовірно, будуть визначені інші значення цієї напруги. Отже, зарядні пристрої для них повинні бути адаптовані до необхідного напруги заряду.

Більш високе значення порога напруги забезпечує і більшого значення ємності, тому в інтересах виробника вибрати максимально можливий поріг напруги без порушення безпеки. Однак на величину цього порога впливає температура акумулятора, і його встановлюють досить низьким для того, щоб допустити підвищену температуру при заряді.

В зарядний пристрій і аналізатори акумуляторів, які дозволяють змінювати значення цього порогу напруги, його правильна установка повинна дотримуватися при обслуговуванні будь-яких акумуляторів Li-ion типу. Однак більшість виробників не позначав тип Li-ion акумулятора і напруги закінчення заряду. І, якщо напруга встановлено неправильно, то акумулятор з більш високою напругою видасть більш низьке значення ємності, а акумулятор з більш низьким - буде трохи перезаряджаючи. При помірній температурі пошкодження акумуляторів не відбувається.

Саме в цьому, як правило, і полягає причина того, що акумулятор, заряджений, наприклад, в «рідному» телефоні, працює менша або більша час, ніж цей же акумулятор, який знаходиться у настільному зарядному пристрої невідомого виробника.

Підвищення температури акумулятора при заряді незначно (від 2 до 8 градусів в залежності від типу і виробника)

Втручання споживача в будь-Li-ion зарядний пристрій не рекомендується.

Повільний підзаряд після закінчення заряду, характерний для акумуляторів на основі нікелю, не застосовується, тому що Li-ion акумулятор не терпить перезарядження. Повільний заряд може викликати металлизацию літію і привести до руйнування елемента. Замість цього час від часу для компенсації маленького саморазряда акумулятора через невеликого струму споживання пристроєм захисту може застосовуватися короткочасний заряд.

Li-ion акумулятори містять кілька вбудованих пристроїв захисту: плавкий запобіжник, термопредохранитель і внутрішню схему управління, яка відключає акумулятор в нижній і верхній точках напруги розряду і заряду.

Запобіжні заходи: Ніколи не намагайтеся заряджати літієві батарейки! Спроба зарядити ці акумулятори може викликати вибух і займання, які поширюють отруйні речовини і можуть заподіяти пошкодження обладнання.

Заходи безпеки: В разі руйнування літій-іонного акумулятора, витоку електроліту і потрапляння його на шкіру або очі, негайно промийте ці місця проточною водою. Якщо електроліт потрапив в очі, промийте їх проточною водою протягом 15 хвилин і зверніться до лікаря.

При написанні статті використані матеріали, люб'язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою Канадської компанії Cadex Electronics Inc. [ 3 ].

Більш детальна інформація російською мовою про акумулятор для мобільної техніки зв'язку, комп'ютерів та інших портативних приладів, поради по експлуатації та обслуговуванню приведені в [ 4 , 5 , 6 , 7 ].

Про зарядний пристрій для мобільних пристроїв зв'язку в наступній статті.

ПОСИЛАННЯ

1. http://www.panasonic.com/ (Потім вибрати «Industrial Components», потім «Batteries: OEM & Industrial», далі «OEM» і «Nickel Cadmium» «Nickel Metal Hydride» «Lithium Ion») докладні відомості про NiCd, NiMH і Li-ion акумулятори, які здійснює фірма Panasonic (англійською мовою.
2. http://www.gpbatteries.com.hk/cgi-bin/cellular/ - GP Batteries International Limited технічні характеристики акумуляторів.
3. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - розробник і виробник зарядних пристроїв, аналізаторів і систем обслуговування акумуляторів.
4. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Акумулятори для мобільних пристроїв і портативних комп'ютерів. Аналізатори акумуляторів.
5. Акумулятори для мобільних пристроїв. Пристрій і основні параметри.
6. Акумулятори для мобільних пристроїв - оцінка стану.
7. Акумулятори для мобільних пристроїв - різновиди, порівняльні характеристики.