镍镉和镍氢电池的快速充电器。方案、说明

适用于镍镉和镍氢电池的快速充电器。无线电电子电气工程百科全书

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文章中描述的设备设计用于以指数下降的电流对镍镉和镍氢电池进行加速充电。其优点包括能够在 45 分钟到 3 小时的范围内选择充电时间，易于制造和调整，充电结束时电池不会发热，能够直观地控制充电过程，自动恢复过程中关机再开机，使用方便。该设备可用作测量电池充电和放电特性的支架。

大恒流充电时（0,5E以上，其中E为电池容量），充电75～80%后电池开始发热，镍氢电池比镍镉电池发热[1 ]。电池充满电后，温度迅速升高[1]，如果不及时停止这个过程，就会以电池着火或爆炸而告终。建议的充电终止温度为 +45 °С [2]。但是，此标准仅适用于紧急情况：过度充电和过热的组合会降低电池的容量，从而缩短其使用寿命。

达到一定的电池电压也不是过程结束的令人满意的标准。事实是，它对应于完全充电的值是事先不知道的，因为它取决于温度和电池的“使用年限”。几毫伏的误差会导致电池充电永远不会结束或过早结束 [3]。

当以恒定电流充电时，很容易控制充电 - 它与过程的持续时间成正比。特别是，它的值可以设置为等于标称电池容量。但随着时间的推移，它的容量会降低，在其使用寿命结束时，它大约是标称值的 80%。因此，将充电限制在标称容量并不能保证电池不会过充和过热，因此不能作为充电结束的唯一标准。

该过程结束的最困难的标准是电池上的电压达到最大值，然后开始下降的时刻。电池上的最大电压对应于完全充电，但在 [2] 中表明它是充电恢复过程中电池发热的结果。最大值非常小，特别是对于镍氢电池（约 10 mV），因此使用 ADC 或电压频率转换器来检测它[2]。对电池充电时，其不同电池的最大电压在不同的时间达到，因此

最好分别控制它们中的每一个。此外，有些电池的充电特性异常，没有这个最大值。换言之，仅监测电压是不够的；还需要同时控制温度和通过电池的电量。

因此，当以大的恒定电流对电池进行充电时，需要根据几个标准来控制其每个元件，这使得充电器变得复杂。仅以小电流（不超过0,2E）充电不会导致电池紧急过热，即使是大充电。在这种情况下，不需要监控每个元件的状态，充电器变得非常简单，但它的缺点也很明显——充电时间长。

有些充电器的初始大充电电流会随着时间的推移而减小 [4-6]。在这种情况下，也不需要监视每个电池单元的状态。但是在这些设备中，没有对充电量的控制，并且以达到一定电压作为完全充电的标准，如上所述，这并不令人满意。

在 [7] 中，描述了一种充电器，其中电池作为电容器从恒压源通过电阻器充电。在这种情况下，充电电流理论上应随时间呈指数下降，时间常数等于等效电池容量和该电阻器的电阻的乘积。实际上，充电电流对时间的依赖性不同于指数，因为在充电过程中电源的等效电容和输出阻抗会发生变化。但即使我们忽略指示的差异，最重要的参数 - 充电时间常数 - 也是未知的，因此无法控制通过电池的电荷。因此，当达到一定电压时，充电再次结束。

在所提出的器件中，选择了呈指数下降脉冲形式的充电电流，因为它易于使用最简单的 RC 电路实现。它自然结束，无需定时器在预定时间后关闭电池，即使电池长时间在充电器中充电也受到限制。充电电流必须由电流发生器产生，因此其值和形式不取决于电池上的电压或充电特性的非线性。

在充电过程中，通过电池的电流 I 呈指数下降：

我=我₀exp(-t/T₀），（1）
其中 t 是时间；我₀ - 初始充电电流；吨₀ 是充电时间常数。

在这种情况下，每个电池接收一个电荷 q，由表达式估计

q = 我₀Т₀[1 - exp(-t/T₀)] = (我₀ -它₀。（2）

I 和 q 对时间 t 的依赖关系图如图 1 所示。一。

镍镉和镍氢电池的快速充电器。 I 和 q 对时间 t 的依赖性
米。 1. I 和 q 对时间 t 的依赖性

可以看出，3T期间₀ 充电达到0,95I₀T₀ 然后接近值 I₀Т₀.

建议选择值I₀ 和T₀ 公式

I₀ = nE, T₀ = 1 h/n，其中 n = 1、2、3、4。 (3)

最方便的值是 n \u1d 3。这种情况下的初始充电电流等于电容量 E，充电时间为 2 小时。（您实际上可以将电池放在充电器中过夜，到早上它们会充满电）。如果这个充电时间太长，则增加n的值。 n = 1,5 时，初始充电电流为 2E 时为 3 小时。此模式适用于镍镉和镍氢电池。将 n 增加到 1 会将充电时间减少到 3 小时，但初始充电电流会增加到 4E。最后，在 n = 45 时，充电时间减少到 4 分钟，初始充电电流增加到 3E。镍镉电池的 n 值等于 4 和 0,1 是可以接受的，因为它们的内阻很低（小于 4 欧姆）。镍氢电池的内阻要大几倍，刚开始充电时大电流会发热，这是不可接受的。不推荐大于XNUMX的值。我可以选择₀ 比公式（5）确定的多3%。那么确切的充电时间将是 3 h/n，再充电 5% 并不重要。

该装置的工作原理如图所示。 2.

镍镉和镍氢电池快速充电器
图。 2。

容量为 C1 的电容器，预充电至电压 U₀, 通过具有输入电阻 Rin 和电流增益 Ki 的电流放大器 A1 放电。放大器输入电路中的电流 Iin 由表达式确定

Iin = U₀exp(-t/RinC1)/Rin。（四）

放大器输出电路中的电流 I \u1d KiIin 为电池 GBXNUMX 充电：

我 = KiU₀exp(-t/RinC1)/Rin = SU₀ exp(-t/RinС1), (5)
其中 S = Ki/Rin 是放大器在被视为电压电流转换器时的增益斜率。比较（2）和（5），我们有
T₀ = RinC1，我₀ = 基乌₀/凛=苏₀。（6）

方便选U₀ \u1d 1 V, C1000 \u3d 3,6 μF，然后从 (XNUMX) 得出 Rin \uXNUMXd XNUMX MΩ / n

S = nE，Ki = SRin = 3600000E。 (7)

例如，当 E = 1 Ah 和 n = 1 时，以下参数应为：Rin = 3,6 MΩ，S = 1 A/V，Ki = 3600000 = 131 dB。

该装置的示意图如图3所示。 2.1.电流放大器组装在运放DA2和晶体管VT3、VT1上。运放的供电电压由DA1芯片稳定。晶体管 VT1 上的节点控制该电压的值。正常时，该三极管打开，电流流过继电器K1.1的线圈，继电器K1的触点闭合，HL1 LED点亮，表示设备正常工作。 SA2 开关选择充电模式：直流（当其触点闭合时）或指数下降（当它们打开时）。电阻器 R3 和 R3 形成分压器。可变电阻器 R1 的发动机上的电压决定了充电电流。在“恒定”模式下，该电压通过电阻器 R1.1 和继电器 K2 的闭合触点馈送到运算放大器的非反相输入端。其输出电流由晶体管 VT3、VT11 放大，并设置为使电阻器 R5 和 R5 两端的电压相同。电流增益 Ki = R11/R10 和图中所示的额定值大约等于 XNUMX⁷，以及电压到电流的转换斜率 S = 1/R11 = 3 A/V。

镍镉和镍氢电池的快速充电器。装置示意图
米。三、装置示意图

在“递减”模式下（SA1 开关的触点打开），容量为 2 μF 的电容器 C1000 通过电阻器 R5 以公式（3）选择的时间常数放电。通过该电容器的指数下降电流被运算放大器 DA2.1 和晶体管 VT2、VT3 放大，并为连接到 X1 连接器（“输出”）的电池充电。二极管 VD2 可防止它们在电源电压关闭时放电。电流表 PA1 用于控制充电电流的电流值。电容器 C5 可防止设备自激。电阻器 R4、R8-R10 - 限流。它们在紧急情况下保护运算放大器和晶体管 VT2，例如，当电阻器 R11 断开或晶体管 VT3 发生故障时，防止其他元件发生故障。

当电源在充电模式下以减小的电流关闭时，晶体管 VT1 闭合，继电器打开触点 K1.1，防止电容器 C2 进一步放电。 HL1 LED 熄灭，表示停电。随着电源恢复，晶体管 VT1 打开，继电器 K1 闭合触点 K 1.1，电池充电自动从中断的当前值继续。 HL1 LED 再次亮起，表示充电恢复。通过按下 SB1 按钮，您可以在移除充电特性时短暂停止充电。在这种情况下，电容 C4 可防止网络干扰渗透到运算放大器的输入端。

该设备组装在通用印刷电路板上，并安装在尺寸为 310x130x180 毫米的外壳中。 AA 电池放置在外壳顶盖的凹槽中。触点插座以镀锡薄带片的形式制成，通过 AA 电池标准隔间中的弹簧将其压在电池上。没有电流流过弹簧。需要注意的是，市售的塑料隔间仅适用于不超过 500 mA 的电流。事实是，流过接触弹簧的电流会使它们变热，而电池也会变热。已经在 1 A 的电流下，弹簧加热得如此之快，以至于它们熔化了隔间的塑料外壳的壁，使其无法进一步使用。

晶体管VT3安装在一个表面积为600 cm的带肋散热片上², 二极管 VD2 - 在面积为 50 cm 的板式散热器上². 电阻R11由三个MLT-1电阻并联组成，阻值为1欧姆。所有大电流连接均由横截面为 3 mm 的铜线制成²，直接焊接到相应部分的结论。

K1446UD4A（DA2）运放可以用K1446UD1A芯片或这些系列中的其他芯片代替，但是从这两个运放中，您需要选择具有较低偏置电压的一个。第二个运算放大器可用作温度敏感电桥 [8] 的一部分，用于在直流充电期间电池过热时紧急关闭电池（以减小的电流充电时未观察到电池过热）。在使用其他类型的运算放大器的情况下，应该记住，在这个设计中，它的电源是单极的，所以它必须在两个输入端都在零电压下工作。

KR1157EN601A (DA1) 微电路可替换为该系列的带索引 B 的稳定器，以及 K1157EN602 系列微电路，但是后者具有不同的“引脚排列”[9]。

晶体管VT1——任何KP501系列，VT2必须有一个静态基极电流传递系数h_21E 不小于100。晶体管KT853B（VT3）的不同之处在于它的h_21E 超过1000。VT2、VT3可以使用其他类型的晶体管，但总电流增益必须超过100000。

电容器 C2，它设置充电时间常数 T₀，必须有稳定的容量，不一定等于图中标称值，因为T的要求值₀ 在调整电阻R5的选择时设置。作者使用了 Jamicon 的氧化物电容，电压裕量大（25 倍）。

继电器 K1 - 来自 ECE 的簧片开关 EDR2H1A0500，工作电压和电流分别为 5 V 和 10 mA。可能的替代品是国产继电器 KUTs-1（护照 RA4）。

PA1 电流表必须设计为最大充电电流（在作者的版本中，使用了电流为 4200 A 的 M3 设备）。 Fuse FU1 是 BOURNS [300] 的自复位 MF-R10。

建立设备简化为设置充电时间常数T所需的值₀由公式（3）选择。根据公式（5）选择电阻器R7的电阻等于Rin，假设电容器C2的电容恰好为1000μF。代替电池，包括数字电流表。在打开电源之前，在给电池充电和设置设备时，将可变电阻 R3 滑块移动到较低（根据图表）位置，并且 SA1 开关的触点闭合（这是放电所必需的）电容器 C2)。然后打开电源，移动电阻R3的滑块，设置初始电流I₀ 大约 1 A。接下来，SA1 被转移到“递减”位置。时间 T 之后₁ （约等于 T₀) 测量电流 I₁. 电阻器 R5* 的修正电阻值由公式 R5* = R5[ln(I₀/I₁)]。最后，安装一个电阻器 R5，其电阻等于该校正值。

电池在充电前必须放电至 1...1.1 V 的电压，以防止其过度充电和记忆效应的表现 [2]。如果电池在放电过程中变热，则应在充电前将其冷却至环境温度 (0...+30 °С [2])。在将电池连接到充电器之前，您必须确保它已断电，电阻 R3 的滑块处于较低（根据图表）位置，SA1 处于“恒定”位置。再观察极性，装上电池，接通电源，用可变电阻R3设定初始电流I₀ 由公式（3）。之后，SA1转入“减”位，经过3T时间₀ 电池可以使用了。

要为设备供电，您需要一个 8 至 24 V 的电压源，该电压源可能不稳定。您可以同时为一到十个电池充电。考虑到纹波，最小电源电压应为每节电池 2 V 加上 4 V（但在规定范围内）。

该装置可作为支架使用，不仅可以了解电池的充电特性，还可以了解电池的放电特性。在后一种情况下，被测电池必须以反极性连接到设备。必须用电压表不断监测其电极上的电压。不允许改变其极性，以免造成电池意外损坏。出于这个原因，不建议以这种方式对多个串联电池的电池进行放电，因为可能会错过容量最小的电池的故障时刻。

文学

新型蓄电池（“国外”）。 - 广播，1998 年，第 1 期，p。 48、49。
电池-index.com
一点关于充电镍镉电池（“国外”）。 - 广播，1996 年，第 7 期，p。 48,49。
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Alekseev S. 用于镍镉电池和电池的充电器。 - 广播，1997 年，第 1 期，p。 44-46。
Dolgov O. 外国充电器及其在国内元素上的类似物。 - 广播，1995 年，第 8 期，第 42 页。 43、XNUMX。
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BOURNS MULTIFUSE 可复位保险丝。 - 广播，2000 年，第 11 期，p。 49-51。

作者：M. Evsikov，莫斯科；出版：cxem.net

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