Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов

 Портативный мир

В настоящее время для питания портативной аппаратуры используется несколько видов аккумуляторов : никель - кадмиевые (NiCd), никель - металл - гидридные (NiMH), литий - ионные (Li+), литий - полимерные (Li-Polymer). В последнее время все большее распространение получают Li+ аккумуляторы . Причин этому несколько : они имеют большую удельную емкость , низкий саморазряд , способны отдавать большие токи при разряде . Li-Polymer аккумуляторы обладают еще одним преимуществом : технологически их можно изготовить любой формы , аккумулятор может быть сверхплоским , толщиной всего несколько миллиметров , и даже иметь сложную форму , заполняя собой все свободное пространство внутри устройства . К сожалению , Li+ аккумуляторы , производимые разными фирмами ( и даже одной фирмой , но для разных моделей устройства ) имеют разные размеры и несовместимы между собой . Теряется такое важное качество , как взаимозаменяемость . С одной стороны , это позволяет создавать более компактные устройства , разрабатывая оптимальный аккумулятор для каждого случая . Но в то же время это вызывает ряд неудобств . Если , например , требуется второй аккумулятор для того или иного устройства , возникают определенные проблемы : нужно найти точно такой же аккумулятор той же фирмы , причем стоимость его будет довольно высокой , поскольку нет предложений от конкурентов . То же касается и зарядных устройств : для каждого типа аккумулятора нужно иметь свое « фирменное » зарядное устройство . Потребители хотят иметь выбор и часто голосуют кошельком против такого подхода , покупая устройства , работающие на стандартных аккумуляторах размера AA или AAA. Такие аккумуляторы намного дешевле , широко представлены на рынке , а в экстренных случаях могут быть заменены щелочными батарейками , которые имеют такой же форм - фактор . Как недостаток можно назвать их несколько меньшую удельную емкость и несколько меньшую компактность устройств , использующих такие аккумуляторы . Но есть и важное преимущество : если во всех устройствах используются аккумуляторы форм - фактора AA или AAA, достаточно одного зарядного устройства .

Стандартные аккумуляторы

Если вести речь об аккумуляторах форм - фактора AA или AAA, то есть смысл говорить только о NiMH аккумуляторах . Применявшиеся ранее NiCd аккумуляторы встречаются все реже , тем более , зарядное устройство , спроектированное для работы с NiMH аккумуляторами , будет нормально работать и с NiCd аккумуляторами ( но обратное не верно ). По сравнению с NiCd аккумуляторами NiMH аккумуляторы имеют на 30...40% большую удельную емкость , меньше страдают эффектом « памяти », не содержат опасного для окружающей среды кадмия . Однако у NiMH аккумуляторов есть и недостатки : они дороже ( хотя разница в стоимости постепенно стирается ), имеют меньшее количество циклов заряд - разряда ( характеристики начинают ухудшаться уже после 200...300 циклов ), имеют более высокое внутреннее сопротивление , больший примерно в полтора раза саморазряд . Даже несмотря на то , что при разряде они могут отдавать значительные токи , разряд током сверх допустимого ведет к уменьшению количества циклов , поэтому желательно при разряде не превышать ток 0.5C. Там , где требуются большие разрядные токи , до сих пор используются NiCd акумуляторы . Однако технология NiMH аккумуляторов постоянно совершенствуется и уже сегодня ведущие производители этих аккумуляторов заявляют , что современные модели NiMH аккумуляторов полностью свободны от эффекта « памяти » и допускают 500...1000 циклов заряд - разряда .

Способы зарядки аккумуляторов

В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования . Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования , другая часть превращается в тепло . Можно ввести понятие « КПД процесса зарядки аккумулятора ». Это та часть энергии , поступающей от зарядного устройства , которая запасается в аккумуляторе . Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше , при других – ниже . Тем не менее , КПД может быть довольно высоким , что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора . Химические реакции , которые протекают в NiMH аккумуляторе при его зарядке , являются экзотермическими , в отличие от NiCd аккумуляторов , где они эндотермические . Это означает , что КПД зарядки NiMH аккумуляторов ниже , и они более горячие в процессе зарядки . Это требует более тщательного контроля процесса зарядки . Скорость зарядки аккумулятора зависит от величины зарядного тока . Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора . Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин , но принято считать , что ток 1C для аккумулятора емкостью 2500 мА / ч равен 2500 мА . По скорости различают несколько видов зарядки : капельная зарядка (trickle charge), быстрая зарядка (quick charge) и ускоренная зарядка (fast charge). Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1C, быстрая зарядка – током порядка 0.3C, ускоренная зарядка – током 0.5...1.0C. На самом деле принципиальных отличий между быстрой и ускоренной зарядкой нет , они отличаются лишь предпочтительными методами определения конца зарядки . Поэтому есть смысл разделять только два вида зарядки : капельная и быстрая . К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током , большим 0.1C. Принципиальным отличием капельной и быстрой зарядки является то , что при быстрой зарядке зарядное устройство должно автоматически заканчивать процесс , пользуясь какими - то критериями . При капельной зарядке окончание процесса можно не детектировать , а аккумулятор может находится в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго .

Капельная зарядка

Вопреки существующему мнению , капельная зарядка не способствует долгой жизни аккумуляторов . Дело в том , что при капельной зарядке зарядный ток не отключают даже после того , как аккумулятор полностью зарядился . Именно поэтому ток выбирается малым . Считается , что даже если вся энергия , сообщаемая аккумулятору , будет превращаться в тепло , при столь малом токе он не сможет существенно нагреться . Для NiMH аккумуляторов , которые значительно хуже реагируют на перезарядку , чем NiCd, ток капельного заряда рекомендуется не более 0.05C. Для аккумуляторов большей емкости значение тока капельной зарядки больше . Это означает , что в зарядном устройстве , предназначенном для зарядки аккумуляторов большой емкости , аккумуляторы малой емкости будут сильно нагреваться , что сокращает срок их службы . Снижение тока капельной зарядки ведет к увеличению длительности зарядки сверх разумного . Аккумулятор большой емкости , установленный в зарядное устройство , предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости , может вообще никогда не достичь своего полного заряда , так как с процессом заряда будет конкурировать саморазряд . Долго находясь в таких условиях , аккумуляторы начинают деградировать , теряя емкость . При всем желании , надежно детектировать конец капельной зарядки невозможно . На низких зарядных токах профиль напряжения плоский , практически нет характерного максимума в конце зарядки . Температура также растет плавно . Единственным методом является ограничение процесса зарядки по времени . Однако при этом нужно знать не только точную емкость аккумулятора ( которая зависит от возраста и состояния аккумулятора ), но и величину его начального заряда . Исключить влияние начального заряда можно только одним способом – полностью разрядить аккумулятор перед зарядкой . А это еще больше удлиняет процесс зарядки и укорачивает жизнь аккумулятора , которая определяется количеством циклов заряд - разряда . Еще одной помехой при вычислении длительности капельной зарядки является низкий КПД этого процесса . Для капельной зарядки КПД не превышает 75%, более того , КПД зависит от многих факторов , в том числе от температуры и состояния аккумулятора . Единственным преимуществом капельной зарядки является простота реализации ( без контроля конца зарядки ). В то же время производители NiMH аккумуляторов не рекомендуют пользоваться капельной зарядкой . И только в самое последнее время производители аккумуляторов специально отмечают , что современные NiMH аккумуляторы не деградируют под воздействием длительной капельной зарядки .

Быстрая зарядка

Большинство производителей NiMH аккумуляторов приводят характеристики своих аккумуляторов для случая быстрой зарядки током 1C. Хотя иногда можно встретить рекомендации не превышать ток 0.75C. Эти рекомендации связаны с опасностью открывания вентиляционных отверстий аккумулятора при быстрой зарядке в условиях повышенной температуры окружающей среды . « Умное » зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости быстрого заряда . Считается , что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0...+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8...1.8 В . КПД процесса быстрой зарядки очень высок ( порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо . Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло . Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора , что может вызвать его повреждение . И хотя для современных аккумуляторов взрыва , скорее всего , не последует , просто откроются вентиляционные отверстия и часть содержимого аккумулятора будет безвозвратно утрачена . Это точно не пойдет на пользу аккумулятору , не говоря уже об изменении внутренней структуры электродов под воздействием высокой температуры . Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора очень важно зарядку вовремя прекратить . К счастью , в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии , по которым зарядное устройство может это сделать . Алгоритм работы быстрого зарядного устройства состоит из нескольких фаз :

1. Определение наличия аккумулятора .

2. Квалификация аккумулятора (qualification).

3. Пред - зарядка (pre-charge).

4. Переход к быстрой зарядке (ramp).

5. Быстрая зарядка (fast charge).

6. Дозарядка (top-off charge).

7. Поддерживающая зарядка (maintenance charge).

Фаза определения наличия аккумулятора

В этой фазе обычно проверяется напряжение на выводах аккумулятора при включенном генераторе зарядного тока примерно 0.1C. Если при этом напряжение оказывается выше 1.8 В , это значит , что аккумулятор отсутствует или поврежден . В любом случае зарядка начинаться не должна . Как только будет обнаружено меньшее напряжение , делается вывод , что аккумулятор подключен и можно начинать зарядку .

Во всех других фазах зарядки на фоне основных действий должна производится проверка наличия аккумулятора . Эта необходимость связана с тем , что аккумулятор в любой момент может быть вынут из зарядного устройства . При этом из любой фазы зарядное устройство должно перейти на первую фазу – определение наличия аккумулятора .

Фаза квалификации аккумулятора

Зарядка начинается с фазы квалификации аккумулятора . Эта фаза нужна для грубой оценки начального заряда аккумулятора . Если напряжение на аккумуляторе меньше 0.8 В , то быструю зарядку производить нельзя . В этом случае требуется дополнительная фаза пред - зарядки . Если же напряжение больше этой величины , то фаза пред - зарядки пропускается . На практике аккумуляторы никогда не разряжают ниже 1.0 В . Поэтому фаза пред - зарядки реально никогда не используется , разве что при зарядке глубоко разряженных или долго не бывших в употреблении аккумуляторов .

Фаза пред - зарядки

Эта фаза предназначена для начальной зарядки глубоко разряженных аккумуляторов . Значение тока пред - зарядки выбирается в пределах 0.1...0.3C. Фаза пред - зарядки должна быть ограничена во времени ( например , 30 мин ). Более длительная пред - зарядка смысла не имеет , так как у исправного аккумулятора напряжение должно довольно быстро достигнуть порогового значения 0.8 В . Если же напряжение не растет , значит аккумулятор поврежден и процесс зарядки нужно прервать с индикацией ошибки . Во всех длительных фазах зарядки необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения . Для NiMH аккумуляторов максимально допустимой во время зарядки считают температуру 50°C. Как и во всех других фазах , необходимо контролировать наличие аккумулятора .

Фаза перехода к быстрой зарядке

Если напряжение на аккумуляторе выше 0.8 В , то можно начинать быструю зарядку . Сразу включать большой зарядный ток не рекомендуется . Ток нужно плавно повышать в течение 2...4 мин , пока он не достигнет заданного тока быстрой зарядки . В этой фазе необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения . Как и во всех других фазах , необходимо контролировать наличие аккумулятора .

Фаза быстрой зарядки

В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.5...1.0C. Основной проблемой при быстрой зарядке является точное определение момента окончания зарядки . Если фазу быстрой зарядки вовремя не прекратить , аккумулятор будет разрушен . Поэтому весьма желательно , чтобы для определения окончания быстрой зарядки использовалось сразу несколько независимых критериев . Для NiCd аккумуляторов обычно применялся так называемый –dV метод . В процессе зарядки напряжение на аккумуляторе растет , но в самом конце зарядки оно начинает падать . Для NiCd аккумуляторов критерием окончания зарядки являлось снижение напряжения примерно на 30 мВ ( на каждый аккумулятор ). –dV – это самый быстрый метод , он хорошо работает даже с частично заряженными аккумуляторами . Если , например , установить на зарядку полностью заряженный аккумулятор , то напряжение на нем начнет быстро расти , затем довольно резко падать . Это вызовет окончание зарядки . Для NiMH аккумуляторов этот метод работает не столь хорошо , потому что падение напряжения для них менее выражено . При токах зарядки менее 0.5C максимум напряжения вообще может отсутствовать , поэтому зарядное устройство , предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости , не всегда может определить конец зарядки аккумуляторов большой емкости . При повышенных температурах максимум напряжения также несколько смазывается . Слабое падение напряжения в конце зарядки вынуждает повышать чувствительность , что может привести к досрочному завершению быстрой зарядки из - за помех . Помехи генерируются как самим зарядным устройством , так и проникают из питающей сети . По этой причине не рекомендуется заряжать аккумуляторы в автомобиле , так как бортовая сеть обычно имеет очень высокий уровень помех . Сам аккумулятор тоже является источником шумов . Поэтому при измерении напряжения нужно применять фильтрацию . Надежность метода –dV уменьшается при зарядке батарей последовательно соединенных аккумуляторов , если отдельные аккумуляторы в батарее различаются по степени заряда . При этом пик напряжения для разных аккумуляторов батареи наступает в разные моменты времени , и профиль напряжения смазывается . Иногда для NiMH аккумуляторов вместо метода –dV используют метод dV=0, когда вместо падения напряжения детектируют плато на профиле напряжения . Критерием конца зарядки в этом случае служит постоянство напряжения на аккумуляторе в течение , например , 10 минут . Метод dV=0 можно рассматривать как вариант метода –dV с установленным нулевым порогом изменения напряжения . Несмотря на все трудности определения конца зарядки методом –dV, именно этот метод большинством производителей NiMH аккумуляторов называется как основной при быстрой зарядке . Типичным значением для изменения напряжения в конце зарядки током 1C является –2.5...–12 мВ на один аккумулятор . Сразу после включения большого зарядного тока напряжение на аккумуляторе может испытывать флуктуации , которые могут быть неверно восприняты как падение напряжения в конце зарядки . Для предотвращения ложного прекращения быстрой зарядки первые 3...10 мин (hold off time) после включения зарядного тока контроль –dV должен быть выключен . Одновременно с падением напряжения в конце зарядки начинает расти температура и давление внутри аккумулятора . Поэтому конец зарядки можно определить по возрастанию температуры . Устанавливать абсолютный порог температуры для определения момента окончания зарядки не рекомендуется , так как сильное влияние на точность будет оказывать температура окружающей среды . Поэтому чаще используют не саму температуру , а скорость ее изменения dT/dt. Считается , что при зарядном токе 1C процесс зарядки нужно завершать , когда скорость роста температуры dT/dt достигнет 1°C/ мин . Нужно отметить , что при токах зарядки менее 0.5C скорость роста температуры почти не меняется и этот критерий использовать нельзя . Ввиду тепловой инерции метод dT/dt склонен вызывать некоторый перезаряд аккумулятора . Как метод dT/dt, так и метод –dV вызывают некоторый перезаряд аккумулятора , что ведет к снижению срок его службы . Для того , чтобы обеспечить полный заряд аккумулятора , завершение заряда лучше проводить малым током при низкой температуре аккумулятора , так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов заметно падает . Поэтому фазу быстрой зарядки желательно завершать чуть раньше . Существует так называемый inflexion метод определения окончания быстрой зарядки [3]. Суть этого метода заключается в том , что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе , а максимум производной напряжения по времени . Т . е . быстрая зарядка прекратится в тот момент , когда скорость роста напряжения будет максимальной . Это позволяет завершить фазу быстрой зарядке раньше , когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться . Однако этот метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений ( вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения ). Некоторые зарядные устройства используют не постоянный зарядный ток , а импульсный [4]. Импульсы тока имеют длительность порядка 1 сек , промежуток между импульсами – порядка 20...30 мс . Как преимущество такого метода называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему , меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации . Точных данных по эффективности такого метода нет , во всяком случае , вреда он не приносит . С другой стороны , такой способ имеет другие преимущества . В процессе детектирования окончания быстрого заряда необходимо точно измерять напряжение на аккумуляторе . Если измерение проводить под током , то дополнительную погрешность будет вносить сопротивление контактов , которое может быть нестабильным . Поэтому на время измерения зарядный ток желательно отключать . После выключения зарядного тока необходимо сделать паузу 5...10 мс , пока напряжение на аккумуляторе установится . Затем можно производить измерение . Для эффективной фильтрации помех сетевой частоты можно произвести ряд последовательных выборок на интервале 20 мс ( один период сетевой частоты ) с последующей цифровой фильтрацией . Идея заряда импульсным током получила дальнейшее развитие . Был разработан метод , который называют FLEX negative pulse charging или Reflex Charging. Этот метод отличается от простого импульсного заряда наличием в промежутках между импульсами тока зарядки импульсов разрядного тока . При длительности импульсов тока зарядки порядка 1 сек длительность импульсов разрядного тока выбирается порядка 5 мс . Величина разрядного тока больше тока зарядки в 1.0...2.5 раз . Как преимущество такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах ( вызывающих эффект « памяти »). Но есть результаты независимой проверки это метода фирмой General Electric, которые говорят о том , что пользы такой метод не приносит , как , впрочем , и вреда . Поскольку правильное определения окончания быстрого заряда является очень важным , хорошее зарядное устройство должно использовать несколько методов определения сразу . Кроме того , должны проверяться некоторые дополнительные условия для аварийного прекращения быстрой зарядки . Так , в фазе быстрой зарядки необходимо контролировать температуру аккумулятора и прекращать быструю зарядку в случае достижения критического значения . Для быстрой зарядки ограничение по температуре более жесткое , чем для зарядки вообще . Поэтому при достижении температуры +45°C необходимо аварийно прекратить быструю зарядку и перейти на фазу дозарядки меньшим током . Очень желательно пред продолжением зарядки дождаться остывания аккумулятора , так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов падает . Еще одним дополнительным условием является ограничение времени быстрой зарядки . Зная ток зарядки , емкость аккумулятора и КПД процесса зарядки можно вычислить время , необходимое для полной зарядки . Таймер быстрой зарядки должен быть установлен на время , больше расчетного на 5...10%. Если это время истекло , а ни один из способов детектирования окончания быстрой зарядки не сработал , она аварийно прекращается . Такая ситуация , скорее всего , говорит о неисправности каналов измерения напряжения и температуры . Кроме того , как и во всех других фазах , необходимо контролировать наличие аккумулятора .

Фаза дозарядки

В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.1...0.3C. При токе дозарядки 0.1C производители рекомендуют длительность дозарядки 30 мин . Более длительная дозарядка приводит к перезаряду , что увеличивает емкость аккумулятора на 5...6%, но сокращает количество циклов заряд - разряда на 10...20%. Еще одним положительным эффектом дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов в батарее . Те аккумуляторы , которые полностью заряжены , будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла , в то время как другие будут заряжаться . Если фаза дозарядки идет непосредственно после фазы быстрой зарядки , полезно в течение нескольких минут остудить аккумуляторы . С повышением температуры способность аккумулятора принимать заряд существенно падает . Например , при температуре 45°C аккумулятор способен принять только 75% заряда . Поэтому дозарядка , проведенная при комнатной температуре , позволяет получить более полный заряд аккумулятора .

Фаза поддерживающей зарядки

Зарядные устройства , предназначенные для зарядки NiCd аккумуляторов по окончанию процесса зарядки обычно переходят в режим капельного заряда , чтобы поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии . Это приводит к тому , что температура аккумулятора всегда остается повышенной , что уменьшает срок службы аккумулятора . Для NiMH аккумуляторов долго находится в состоянии капельной зарядки нежелательно , так как эти аккумуляторы плохо переносят перезаряд . По крайней мере , ток поддерживающей зарядки должен быть очень низким , чтобы только компенсировать саморазряд . Для NiMH аккумуляторов саморазряд составляет до 15% емкости в первые 24 часа , затем саморазряд снижается и составляет 10...15% в месяц . Для того , чтобы скомпенсировать саморазряд , достаточен средний ток менее 0.005C. Некоторые зарядные устройства включают ток поддерживающей зарядки раз в несколько часов , остальное время аккумулятор отключен . Величина саморазряда сильно зависит от температуры , поэтому еще лучше сделать поддерживающий заряд адаптивным : небольшой ток зарядки включается лишь тогда , когда обнаруживается заданное уменьшение напряжения на аккумуляторе . В принципе , от фазы поддерживающей зарядки можно вообще отказаться , но если между зарядкой и использованием аккумуляторов проходит время , то непосредственно перед использованием аккумуляторы нужно подзарядить для компенсации саморазряда . Хотя более удобно , если зарядное устройство постоянно поддерживает аккумуляторы в состоянии полной зарядки .

Сверхбыстрый заряд

При заряде до 70% своей емкости КПД зарядки близок к 100%. Это является хорошей предпосылкой для создания сверхбыстрого зарядного устройства . Конечно , увеличивать зарядный ток до бесконечности нельзя . Есть предел , обусловленный скоростью протекания химических реакций . На практике возможно использовать токи до 10C. Для того , чтобы аккумулятор не перегрелся , после достижения 70% заряда ток нужно снизить до уровня обычной быстрой зарядки и контролировать окончание зарядки обычным образом . Задача состоит в том , чтобы надежно контролировать достижение 70% отметки . Надежных методов для этого нет , повышение температуры инерционно , а перегрев укоротит жизнь аккумулятора . Особенно проблематично определение степени заряда в батарее , где могут быть аккумуляторы по - разному разряженные . Еще одной проблемой является подвод к аккумуляторам зарядного тока . При столь высоких токах плохой контакт может вызвать дополнительный нагрев и даже разрушение аккумулятора . И вообще , это весьма рискованное мероприятие , так как при ошибках зарядного устройства возможен взрыв . Нужно ли так спешить ?

Универсальное зарядное устройство

Аккумуляторы даже одного форм - фактора могут иметь разную емкость . Например , для NiMH аккумуляторов размера AA в настоящее время характерными являются емкости 1000...2500 ма / ч , а для аккумуляторов размера AAA – 500...800 ма / ч . Значения же токов зарядки пропорционально емкости аккумулятора . Если заряжать менее емкий аккумулятор большим током , будет происходить нагрев . Если заряжать аккумулятор меньшим током – возникают неудобства , связанные с увеличением времени зарядки . К тому же , в таких условиях может не работать один из методов определения окончания быстрой зарядки . В идеале универсальное зарядное устройство должно иметь возможность выбора зарядного тока в зависимости от используемых аккумуляторов . Однако на практике чаще всего токи устанавливают для типовых аккумуляторов . В настоящее время для аккумуляторов размера AA можно считать средней емкость примерно 1800 ма / ч , а для аккумуляторов AAA – примерно 650 ма / ч . Нужно отметить , что для аккумуляторов одного форм - фактора с ростом емкости внутреннее сопротивление уменьшается незначительно , как и связанные с ним потери . Поэтому , если ток зарядки устанавливать равным 1 С , температура аккумуляторов большей емкости будет выше . Как указывалось ранее , повышенная температура является причиной неполной зарядки . Поэтому для аккумуляторов размера AA можно рекомендовать не превышать ток зарядки 1.3...1.5 А независимо от их емкости . Иначе нужно применять принудительное охлаждение аккумуляторов во время быстрой зарядки с помощью вентилятора . Поскольку для аккумуляторов разных размеров используются разные посадочные места с раздельными контактами , для изменения зарядного тока между AA и AAA аккумуляторами никаких дополнительных переключателей обычно не требуется .

Проблема выключения питания зарядного устройства

Если во время зарядки питание зарядного устройства было выключено , при включении должен происходить переход на фазу определения наличия аккумулятора . При этом процесс зарядки начнется сначала , но в силу того , что для определения момента окончания быстрой зарядки используются независимые от общего времени зарядки критерии , быстрый заряд продлится необходимое для полной зарядки время . А вот дозарядка будет повторена полностью , несмотря на то , что она , возможно , уже была частично выполнена . Но это практически не создает проблем , так как аккумуляторы , находящиеся в стадии дозарядки , считаются готовыми к использованию , и их можно вынуть в любой момент . Единственным минусом является перезаряд , который испытывают аккумуляторы при многократной дозарядке . Даже если периодически запоминать в энергонезависимой памяти текущее состояние процесса зарядки , это не решит проблем . Невозможно учесть саморазряд , так как неизвестна продолжительность пребывания зарядного устройства в обесточенном состоянии . К тому же , в обесточенном состоянии аккумуляторы могли быть вынуты или заменены . Полностью эта проблема решена в « умных » Li+ аккумуляторных сборках , которые внутри содержат контроллер , измеряющий величину заряда , сообщаемого аккумулятору или полученного от него . Это позволяет в любой момент точно определять степень заряда аккумулятора . Тем не менее , одним из требований , предъявляемых к зарядному устройству , является низкий разряд установленных аккумуляторов при отсутствии питания устройства . Ток разряда через цепи обесточенного зарядного устройства не должен превышать примерно 1 мА .

Определение первичных источников тока

Кроме аккумуляторов , в форм - факторе AA и AAA выпускаются первичные источники тока ( их называют батарейки , хотя это и не совсем правильно ). Основное распространение получили первичные источники двух типов : щелочные (alkaline) и марганцево - цинковые . Щелочные источники имеют емкость в 5-7 раз выше , но они и более дорогие . При установке первичных источников тока в зарядное устройство с режимом быстрой зарядки возможен взрыв , так как вентиляционные отверстия конструкцией первичных источников тока обычно не предусмотрены . Для устранения такой опасности весьма желательно , чтобы зарядное устройство могло отличать первичные источники тока от аккумуляторов и не включать режим быстрой зарядки в случае установки первых . Отличий между аккумуляторами и первичными источниками тока относительно немного . Напряжение тех и других может быть одинаковым , в процессе разряда оно находится примерно в одном и том же диапазоне . Единственным отличием является более высокое внутреннее сопротивление у первичных источников тока . Именно по этому признаку отличают первичные источники тока от аккумуляторов контроллеры DS2711/12 фирма «MAXIM» [1, 2]. Полностью заряженные NiMH аккумуляторы размера AA имеют внутреннее сопротивление порядка 25...50 мОм , размера AAA – 50...100 мОм . В то же время полностью заряженные щелочные батарейки размера AA имеют внутреннее сопротивление порядка 150...250 мОм , размера AAA – 200...300 мОм . Как видно , отличить аккумуляторы от первичных источников тока можно установив предельное значение внутреннего сопротивления порядка 150 мОм . Однако это справедливо только для полностью заряженных аккумуляторов и батареек . При разрядке у тех и других внутреннее сопротивление растет и различия в общем случае исчезают . Для определения первичных источников тока контроллеры DS2711/12 в процессе быстрой зарядки каждые 31 сек выключают зарядный ток и измеряют напряжение на аккумуляторе без тока . По этому и другому значению , измеренному уже с зарядным током , вычисляется внутреннее сопротивление аккумулятора . Если оно оказывается больше установленного предела , то процесс зарядки прерывается с индикацией ошибки . Из - за того , что у разряженных батареек и аккумуляторов внутреннее сопротивление может быть одинаковым , алгоритм не всегда будет работать . Однако есть несколько эффектов , которые делают работу зарядного устройства с таким алгоритмом вполне приемлемым . Если пытаться заряжать батарейку , разряженную до напряжения ниже 0.8 В , то зарядное устройство не включит режим быстрой зарядки , пока в режиме пред - зарядки не будет достигнуто напряжение 0.8 В . Поскольку пред - зарядка ведется относительно малым током , такой режим не может привести к существенному нагреву и разрушению батарейки . Когда напряжение достигнет 0.8 В , то включится режим быстрой зарядки . Если ток быстрой зарядки 1 А и более , то высока вероятность того , что из - за высокого внутреннего сопротивления батарейки напряжение поднимется выше 1.8 В и зарядка сразу будет прервана . Если же этого не произойдет , то зарядку прервет первое измерение внутреннего сопротивления . В режиме быстрой зарядки ( током 1 А и более ) для разряженного аккумулятора времени 31 сек окажется достаточно для того , чтобы его внутреннее сопротивление уменьшилось и проверка ошибки не показала . Если же внутреннее сопротивление окажется выше нормы , процесс зарядки прервется . Поэтому для глубоко разряженного аккумулятора может потребоваться несколько попыток старта процесса зарядки , после чего внутреннее сопротивление аккумулятора станет меньше установленного порога и процесс зарядки пройдет нормально . Таким образом , введение в алгоритм зарядки процедуры определения первичных источников тока может вызвать некоторые побочные эффекты , такие как необходимость перезапуска процесса зарядки глубоко разряженного аккумулятора . Можно , конечно , усовершенствовать алгоритм определения первичных источников тока . Например , сделать порог внутреннего сопротивления зависимым от напряжения на аккумуляторе . Но никто не может гарантировать полной достоверности определения . К тому же , новые разработки первичных источников тока имеют все более близкие параметры к параметрам аккумуляторов . Включать определение первичных источников тока в алгоритм работы зарядного устройства или оставить это на совести пользователя – решать нужно в каждом конкретном случае .

Эффект памяти и восстановление аккумуляторов

Эффект памяти сильнее всего проявляется в NiCd аккумуляторах как снижение емкости аккумулятора при повторяющихся циклах неполной разрядки - зарядки . Суть эффекта состоит в том , что на электродах образуются крупные кристаллические образования , в результате часть объема активного вещества аккумулятора перестает использоваться . Для устранения эффекта памяти рекомендуется полная разрядка аккумулятора ( до напряжения 0.8...1.0 В ) с последующей зарядкой . В особо тяжелых случаях может потребоваться несколько таких циклов . NiMH аккумуляторы практически свободны от эффекта памяти . По заявлением производителей , максимальная потеря емкости , связанная с этим эффектом , не превышает 5%, что заметить крайне сложно . Тем не менее , примерно раз в месяц рекомендуется перед зарядкой NiMH аккумуляторов их полностью разрядить . Желательно , чтобы зарядное устройство имело возможность разрядки аккумулятора с контролем минимального напряжения , по достижению которого разрядка прекращается . Режим разрядки аккумулятора в зарядном устройстве полезен не только с точки зрения восстановления аккумуляторов . Он оказывается очень кстати , когда возникает необходимость зарядить аккумуляторы с разной или неизвестной степенью начального заряда . Перед зарядкой степень заряда всех аккумуляторов желательно выровнять , что проще всего сделать их полной разрядкой . Особенно актуально это для зарядных устройств , заряжающих батарею последовательно соединенных аккумуляторов . Зарядное устройство с функцией разряда может обладать возможностью измерения емкости аккумуляторов , что также очень полезно на практике .

Взаимодействие аккумуляторов в батарее

Отдельные аккумуляторы в батарее могут иметь несколько отличающиеся характеристики . Причиной этого является разброс параметров при производстве аккумуляторов , неравномерное распредление температуры внутри батареи при эксплуатации и разные темпы старения отдельных аккумуляторов . В итоге при зарядке батареи аккумуляторы с меньшей емкостью будут подвергаться перезарядке . Это вызывает дальнейшую деградацию таких акумуляторов и выход их из строя . С другой стороны , если один из аккумуляторв в батарее имеет высокий саморазряд или вовсе закорочен , то при попытке полной зарядки такой батареи перезаряд будут испытывать исправные аккумуляторы . Аккумуляторы с меньшей емкостью будут разрушаться и в процессе разрядки батареи . Эти аккумуляторы окажутся разряженными раньше , дальнейшая разрядка батареи может вызвать очень глубокий разряд таких аккумуляторов и даже их переполюсовку . При этом температура и давление внутри аккумуляторов будет повышаться , что может привести к их разрушению . В результате даже небольшое начальное различие емкости акумуляторов в батарее будет возрастать в процессе эксплуатации , и это может закончиться разрушением одного из аккумуляторов . Поэтому нужно стремится к тому , чтобы степень зарядки отдельных аккумуляторов была по возможности одинаковой . В идеальном случае каждый аккумулятор батареи должен заряжаться отдельно . Однако готовые батареи аккумуляторов часто имеют всего два вывода , поэтому заряжать можно только всю батарею сразу . В таком случае может оказаться полезным выравнивание (balancing) степени зарядки аккумуляторов . Выравнивание обязательно нужно производить для новой или глубоко разряженной батареи . Перед началом выравнивания контролируют напряжение на батарее . Если напряжение батареи менее 0.8 В / акк . ( т . е . в пересчете на каждый аккумулятор ), то производят зарядку до 0.8 В / акк . током примерно 0.1 С . Затем нужно произвести выравнивание , для чего следует полностью зарядить батарею током 0.3 С , ограничив процесс заряда временем 4.0...4.5 часов . Если батарея аккумуляторов долго не находилась в эксплуатации , то рекомендуется дополнительно произвести несколько циклов заряд - разряда стандартными методами .

Ссылки : [1] – http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/DS2711-DS2712.pdf

[2] – http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN3388.pdf

[3] – http://www.st.com/stonline/pr oducts/literature/an/2074.pdf [4] – ICS1700A.pdf

Ридико Леонид Иванович wubblick@yahoo.com