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无线电电子与电气工程百科全书 密封镍镉电池的操作
密封镍镉（圆盘和圆柱形）电池的广泛使用也引起了人们对其操作、充电方法和设备的极大兴趣。 关于这些主题的许多文章已经发表，包括在《广播》杂志上。 近年来，由于由可充电电池（AB）供电的新型家用电器的出现，人们对这一话题的兴趣显着增加。 不过关于电池操作的文章并不多。 造成这种情况的原因是相当客观的：研究AB的运行是一项非常漫长且费力的工作。 总的来说，这对于无线电爱好者来说是难以忍受的。 当然，这并不意味着无线电爱好者不应该从事此类工作——只是应该批判性地对待所获得的结果，而不是根据单一结果进行概括。 一个典型的例子是众所周知的使用不对称电流对电池充电的方法 [1, 2]。 每个人都清楚它的优点，只有一点不清楚——它是从哪里来的，最初的来源是什么。 但这样的“小事”显然没有打扰任何人，因为在基于这种充电器方法的两三篇出版物之后，人们可以放心地写道：“......众所周知，用不对称电流对电池充电允许......”并在文中进一步阐述。 另一个例子是经常被提及的伍德布里奇方法。 它是在电池开始大规模生产以满足不断发展的汽车工业的需求而开发的那些年里，并且电池的操作问题变得如此重要以至于需要科学的参与。 该方法是为特定（酸性）电池创建的，扩大其范围的理由尚不清楚。 换句话说，将该技术用于其他电池是不合理的。 结果，今天的情况变得如此混乱，以至于理解它变得根本不现实。 一些作者对该主题进行了认真的评论，并试图在此基础上得出实际的结论，这证实了这一点——作者甚至没有注意到他们所引用的来源中的矛盾。 真正严肃的出版物要少得多，其中之一就是[3]。 这篇文章设定了一个更温和、因此也更现实的任务——展示作者在这个主题上积累的经验。 我们再次提醒您，本文仅针对国内生产的密封镍镉电池，因此，在将其所有规定应用于其他电池时，应谨慎行事。 电池的主要特性是存储在其中的能量，通常使用系统外的测量单位 - kWh 或其倍数来测量。 在实践中，使用电池的另一个特性——存储在其中的电荷——更为方便。 它通常被称为容量。 在 SI 系统中，电荷以库仑 (1 C = 1A x 1 s) 为单位进行测量，但更常见的是，它们还使用系统外测量单位 - Ah，对于小容量电池 - mAh。 他们太习惯这个参数了，以至于常常忘记（或者根本不知道）电池的主要指标是储存的能量，而不是容量。 电池的能量E和容量C之间的关系由最简单的公式确定：E≤C x Ucp，其中Ucp是平均电池电压。 这个表达式为练习提供了足够的准确性。 更准确地说，能量是通过积分计算出来的。 额定容量是电池特性中给出的典型值。 它主要由电池的设计和制造技术决定。 正是后一个原因（更准确地说是制造技术的差异）导致电池的容量即使在一个生产批次中也有高达两倍或更多倍的变化。 文献中有时指出AB是由具有相似容量的电池组装而成，但在大规模生产的条件下，这当然是不现实的。 在苏联，标称容量通常是根据“小于小于”原则确定的，该原则提供了一个裕度，使得随着时间的推移，只需改变AB 7D-0,1和其他电池的容量就可以“增加”容量。标签上的数字。 现在7D-0,1变成了7D-0,125。 需要注意的是，容量是一个多因素的值，因为即使对于特定情况，它也取决于许多参数：环境温度、充电和放电模式等。因此，当谈到电池容量时，需要有一种方法来衡量其容量。定义，因为仅通过改变方法就可以轻松地多次“改变”容量。 但通常没有给出方法论。 在工作过程中，电池电压从最大值下降到最小值。 最小电压是电池的剩余能量（电荷）微不足道并且进一步操作不切实际的电压，因为电压也会急剧下降（当完全放电时，它等于零）。 对于镍镉电池来说，最小电压约为1V，这个值是放电完成的明确标准。 因此，电池的工作区域是从最大到最小的电压范围。 在工作区域中，剩余能量（电量）可以大致由电池上的电压确定。 额定电压为最大和最小电压的平均值； 通常在电池的参考数据中给出他。 对于 Ni-Cd 电池，该电压约为 1,2 V。 与任何其他原电池一样，电池的额定电压仅由其电化学系统（即原电池和电解质）决定。 从结构上或技术上来说，改变这个值是不可能的。 充电结束并关闭充电器时，电池电压 (UM3) 达到最大值，约为 1,43 ... 1,45 V。它迅速下降，并在 10 ... 25 分钟后达到等于 1,37 的 UMP 稳定值。 .. 1,39 V。这些值的分散主要是由于测量误差造成的，但不需要更高的精度。 电池运行中的主要问题与其充电有关，并且是由于缺乏可靠的充电完成标准造成的。 为此使用电池电压是无效的，因为甚至在充满电之前就可以达到该电压。 这个标准经常被用于业余设计中。 最近的出版物表明，一个标准是不够的，需要额外的标准，作为其中之一，他们建议测量电池的温度。 温度是一个重要的参数，因为它可以让您确定电力“去向”的地方 - 用于充电或加热，也就是说，它可以让您确定电池的状态，但绝不是其充电程度。 还可以补充的是，在其他条件相同的情况下，环境温度的影响会在很大程度上表现出来。 从上述内容中，我们可以得出一个不太令人欣慰的结论——目前还没有可靠的充电结束标准。 更准确地说，有一个这样的标准，下面将对此进行讨论，但尽管其表面上很简单，但其实施却存在很大问题。 缺乏可靠的充电结束标准当然令人失望，因为它不允许电池充满电。 但毕竟电池已经成功使用了几十年。 出现的第一个问题是真正需要多少电量，真的需要充满电吗？ 在实际条件下，高达 15% 的容量差异实际上是难以察觉的，这远小于不同样本的容量差异。 密封蓄能器的设计方式是通过壳体内的气压来确保密封。 充电时，这种压力会增加，如果达到外壳材料的屈服强度，电池就会膨胀。 在这种情况下，触点会损坏，从而导致电池完全失效。 对于盘式电池，有时可以恢复工作能力 - 必须将它们用虎钳（通过绝缘垫圈）压缩到之前的尺寸。 在更严重的情况下，电池会被打开（无声爆炸），并且无法恢复。 气压可以作为充电结束的可靠标准，在任何情况下，它都可以让您确定进一步充电变得危险的极限。 但这种方法的实际实施即使对于高容量电池来说也是有问题的，对于小容量电池来说更是不切实际。 放电期间，压力下降，如果电压低于最小值，则可能会下降到无法提供密封性的水平，从而导致电解液泄漏。 除其他问题外，泄漏的电解液会分流电池电极，之后由于表面泄漏，自放电电流会增加。 长期存放已放电的电池会对其造成损坏。 众所周知，长时间未工作的电池会损失容量和性能。 您可以在几个充放电循环中恢复它们。 具体如何做并不重要——“复兴”无论如何都会发生。 随着时间的推移，会发生自然老化过程，电池性能下降。 电池的使用寿命通常为 3-5 年，但正常使用时，它们可以可靠工作 10 年或更长时间。 在实践中，所谓的标准充电模式是最常见的——将额定容量的150%“泵入”电池，以15 C的电流充电0,1小时。 电池的效率，即能量输出与接收能量的比率，由于多种原因很难确定，因此通常不给出该指标。 对于小型电池来说，它通常是微不足道的，因为充电器中的损耗显然更大。 纯粹可以根据上述标准充电模式——0,65（65%）来近似确定。 标准模式已经在实践中得到了证明，值得借鉴。 实现它的充电器非常简单，包含一个整流二极管和一个猝灭电阻。 该方法的优点是即使是“半没电”的电池也能充电。 然而，它也有两个显着的缺点：充电时间长和过度充电的危险。 确实，后者不再与方法有关，而是与人有关 - 他们通常只是忘记及时关闭充电器。 这个方法只有一个不清楚的地方——这0,1C是从哪里来的？ 目前还没有明确的答案，而且这么多年过去了也很难得到答案，所以只能假设这样一个政权的选择仅仅是出于妥协的原因。 充电电流较低时，充电时间会增加得令人无法接受（0.05C - 30 小时），而充电电流较大时，则需要增加充电器的功率，从而增加其尺寸、重量和价格。 笔者用AB 7D...进行的实验表明，用等于电池容量的电流充电并不会损坏电池。 一种非常有趣且有前途的方法是通过稳定电压源为电池充电的方法。 为了明确起见，我们将其称为稳定电压充电（ZSN）。 采用等于最大电池电压的ZSN法，可以完全消除过充现象。 确实，目前尚不完全清楚该电压到底应该是多少：UM3 或 UMP，为了保险起见，最好采用其中较小的一个 - UMP。 充电开始时，电流最大，短时间后大多数情况下会增加一些（显然是电池内阻下降）。 然后，随着电池充电且电压增加，电流减小，并且在充电结束时渐近接近于零，更准确地说，接近于电池自放电电流。 当对完全放电的电池充电时，初始浪涌电流可能大得令人无法接受，因此应加以限制，例如，通过在充电电路中添加限流电阻器来限制浪涌电流。 该方法的主要缺点是它提供的电量为标称容量的 60 ... 70%。 因此，建议将其用于备用电池，例如电子手表中。 对于此类设备来说，电池容量的轻微下降并不重要，更重要的是确保其长期可靠的运行。 当需要使电池在15 ... 20 分钟内进入工作状态时，也建议使用此方法。 这种模式不能给电池充满电的原因很明显——需要提高供电电压。 在这种情况下，充电电流不会渐近趋于零，而是趋于某个最小值。 本质上，充电电流的稳定可以作为充电结束的标准。 还有另一个更可靠且易于实施的标准——将充电电流降低到接近最小值的值。 对于所提出的方法的实际实施，有必要通过实验选择特定电池的充电模式：确定充电结束时的充电电压和电流。 自动充电器（充电器）示意图如图1所示。 7. 它允许您对任何放电程度的电池进行充电，包括完全放电的电池。 AB 0.125D-1的标称充电时间，每块电池放电至1,5V，大约为0,85小时，对于放电程度较低的AB，则相应缩短。 电池可充电的容量大约等于标称容量的 0,95 ... XNUMX。 这取决于电池的状态以及设置设备关闭电流的准确性。
使用充电器非常简单 - 连接电源并且电池正在充电后，短按 SB1 按钮。 这将打开信号 LED HL1 并开始充电。 当电池充电时，设备将自动关闭，完全消除了过度充电的危险，并且信号 LED 将关闭。 存储器的基础是电压调节器DA1。 输出电压的精确值由调谐电阻R9设定。 二极管VD1在充电器关闭后防止电池放电。 为了减少损耗，使用了肖特基二极管，与传统硅二极管相比，其压降更低。 指示器 LED HL10 通过限流电阻 R1 连接到存储器的输出。 电容器C2可以平滑稳定器输入端未稳压电源的纹波，并防止其自激。 关断单元是由不同结构的晶体管VT1和VT2组装而成的触发器。 在初始状态下，连接电源并对电池充电后，触发器关闭。 要打开它，只需短按 SB1 按钮即可。 这将打开晶体管 VT1，其集电极电流通过电阻器 R2 打开晶体管 VT2 - 存储器开始工作。 流经该器件的电流在电阻器 R5 上产生压降，该压降通过电阻器 R6 和电阻分压器 R3R4 馈送到晶体管 VT1 的基极。 触发器打开，即使松开 SB1 按钮后设备仍会继续工作。 “同时”，电阻器R5在开始对完全放电的电池充电时执行最大电流限制器的功能。 充电时，电池上的电压升高，导致充电电流减小，当达到设定的最小值时，电阻R5两端的压降不足以保持触发器导通——充电器关闭并充电停止。 最小电流的精确值由调谐电阻R4设定。 电容器 C1 可以消除当充电器由不稳定电源供电时电阻器 R5 上出现的电压纹波。 在笔者的版本中，使用了国产BPN-12-1的非稳压电源，开路输出电压为18V，为存储器供电，其他电源，包括稳压电源，输出电压为15V左右（对于稳定电源（可以稍微小一些），电流至少为 0,2 A。 该器件安装在一块由 1,5 毫米厚的单面箔玻璃纤维制成的印刷电路板上。 PCB图如图所示。 2.
该器件使用调谐电阻 SPZ-19a。 电阻R5-MLT-0,5或MT-0,5，R2-MLT-0,25或MT-0,25； 它们垂直于电路板安装。 其余固定电阻器为无引线表面安装型，尺寸为 1206。它们从印刷导体的侧面安装。 电容器——K50-35或类似进口电容器。 您可以使用允许电流至少为 1 A 的任何肖特基二极管来代替 VD1 二极管。 LED - 任何。 按钮 SB1 - 任何非锁定按钮。 用于连接电源的连接器也可以是任意的——最重要的是，它必须与电源的连接器相匹配。 要建立此功能，您需要一个电阻为 560 欧姆、功率为 1 W 的线绕可变电阻。将其连接到充电器的输出，电阻逐渐减小，直到按下 SB1 按钮后牢牢握住扳机为止发行了。 通过调谐电阻器 R9，输出电压设置为 10,9V（直接在稳定器的输出端测量）。 设置关断电流有些困难。 由于毫安表的分流器在测量充电电流时会引入较大的误差，因此应将毫安表连接在设备的输入端。 而且虽然这种情况下充电器本身消耗的电流被添加到实际充电电流中，但结果更加准确。 为此，测量微调电阻器 R4 中间位置的存储器输入端的电流，然后将其设置为大约 43 mA。 这些操作必须执行多次，直到获得所需的结果，因为不可能一次“捕获”关断电流。 经过几次控制充电-放电循环后，可以在直接使用电池的过程中进行更精确的调整。 允许用 KR142EN22A 或 KR142EN12B 替换 KR142EN12 稳定器。 在这种情况下，充电器的电源电压应增加至 16 ... 17 V。 文学
作者：A. Mezhlumyan，莫斯科
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