快速电池充电器。方案、说明

快速电池充电器

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本文中描述的设备专为镍镉和镍氢电池的加速充电而设计，电流呈指数下降。其优点包括能够选择45分钟到3小时的充电时间、易于制造和设置、充电结束时电池不会发热、能够直观地监控充电过程、充电过程中自动恢复电源关闭再打开，使用方便。该装置可作为测量电池充放电特性的支架。

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更多[ 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，最终会导致电池起火或爆炸。建议的充电终止温度为 +45 °C [2]。然而，该标准仅适合作为紧急标准：过度充电和过热的结合会降低电池容量，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，这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]。给电池充电时，不同元件的最大电压在不同时间达到，因此需要单独控制每个元件。此外，还有一些充电特性异常的电池，其最大值不存在。换句话说，仅监控电压是不够的，还需要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与该电阻器电阻的乘积。实际上，充电电流对时间的依赖性不同于指数，因为源的等效电容和输出阻抗在充电过程中发生变化。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，充电又结束......

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：

I = l0exp(-t/T0), (1)

其中 t 是时间； l0——初始充电电流； T0是充电时间常数。在这种情况下，每个电池接收电荷 q，其由表达式估计

q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0。 (2)

I 和 q 对时间 t 的依赖关系图如图 1 所示。一。

快速电池充电器

可以看出，在 0Т0,95 时间内，电荷达到 0I0Т0 值，然后接近值 I0Т0。建议根据公式选择I0和TXNUMX的值

I0 \u0d nE，T1 \u1.2,3,4d 3 h / n，其中 n \uXNUMXd XNUMX。 (XNUMX)

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。（实际上您可以将电池放在充电器中过夜，到早上它们就会充满）充满电）。如果充电时间太长，则增大n的值。当n = 1,5时，初始充电电流为2E，充电时间为3小时。该模式适用于镍镉电池和镍氢电池。将 n 增加到 1 可将充电时间减少到 4 小时，但初始充电电流增加到 45E。最后，在n=4时，充电时间减少到XNUMX分钟，初始充电电流增加到XNUMXE。

对于镍镉电池来说，n 的值等于 3 和 4 是可以接受的，因为它们的内阻较低（小于 0,1 欧姆）。至于镍氢电池，其内阻要高出数倍，因此大电流会在充电开始时使电池发热，这是不可接受的。不建议n值大于4。可以选择I0比式(5)确定的值大3%。那么准确的充电时间将为 3 小时/n，另外 5% 的充电时间是微不足道的。

该装置的工作原理如图所示。 2.

快速电池充电器

预充电至电压U1的具有电容C0的电容器通过具有输入电阻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 |P 由以下表达式确定

lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin。（四）

放大器输出电路中的电流 I = Kilin 为电池 GB1 充电：

I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5)

其中 S = Ki/Rin 是放大器增益的斜率（如果将其视为电压电流转换器）。

比较（2）和（5），我们有

Т0 = RinC1，I0 = KU0/Rin = SU0。(6)

方便选择U0=1V，C1=1000μF，则由(3)可得Rin=3,6MΩ/n，S=nE，Ki=SRin=3600000E。 (7)

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

该装置的示意图如图3所示。 XNUMX.

快速电池充电器

电流放大器组装在运放DA2.1和晶体管VT2、VT3上。运算放大器的电源电压由 DA1 微电路稳定。晶体管VT1上的节点控制该电压的值。正常时，该晶体管打开，电流流过继电器K1的线圈，继电器K1.1的触点闭合，HL1发光二极管点亮，表明装置正常工作。 SA1开关选择充电模式：直流（触点闭合时）或指数递减（触点断开时）。电阻器R2和R3形成分压器。可变电阻R3电机两端的电压决定充电电流。在“恒定”模式下，该电压通过电阻器 R1 和继电器 K1.1 的闭合触点馈送到运算放大器的非反相输入端。其输出电流经晶体管VT2、VT3放大并被设置为使得电阻器R11和R5两端的电压变得相同。电流增益K=R5/R11，图中所示额定值约等于107，电压转换斜率b电流S=1/R11=ZA/V。

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关闭且电流减小时，晶体管VT1闭合并且继电器打开触点K1.1，防止电容器C2进一步放电。 HL1 LED 熄灭，表示电源故障。当电源恢复时，晶体管 VT1 打开，继电器 K1 闭合触点 K1.1，电池充电自动从中断时的电流值继续。 HL1 LED 再次亮起，表示充电已恢复。通过按SB1按钮，可以在去除充电特性时短暂停止充电。在这种情况下，电容器 C4 可防止网络噪声穿透运算放大器输入。

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。接触插座采用镀锡片带的形式制成，通过来自 AA 电池标准隔间的弹簧压在电池上。没有电流流过弹簧。需要注意的是，市售的塑料隔室仅适用于不超过500mA的电流。事实上，流过接触弹簧的电流会加热它们，同时电池也会升温。在电流为 1 A 的情况下，弹簧温度过高，以至于熔化了隔室塑料外壳的壁，使其无法进一步使用。

VT3晶体管安装在表面积为600 cm2的肋形散热器上，VD2二极管安装在面积为50 cm2的板式散热器上。电阻R11由三个MLT-1电阻并联而成，阻值为1欧姆。所有大电流连接均采用截面为 3 mm2 的铜线，直接焊接到相应部件的端子上。

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-KP501、VT2系列中的任何一个必须具有至少21的静态基极电流传输系数h100E。晶体管KT853B（VT3）的不同之处在于其h21E超过1000。其他类型的晶体管可以用作VT2、VT3、但目前的总增益必须超过100。

设定充电时间常数T2的电容器C0必须具有稳定的电容，不一定等于图中所示的标称值，因为所需的T0值是在调整电阻器R5的选择时设定的。笔者使用了电压裕度较大（25倍）的Jamicon氧化电容。

继电器K1是ECE的磁簧开关EDR2H1A0500，电压和工作电流分别为5V和10mA。可能的替代品是国产继电器 KUTs-1（护照 RA4.362.900）。

PA1电流表必须设计为最大充电电流（在作者的版本中，使用的是M4200电流装置）。保险丝 FU1 是 BOURNS 的自复位 MF-R300 [10]。

设置设备简化为设置所需的充电时间常数 T0 值，通过公式 (3) 选择。根据公式(5)，电阻器R7的阻值选择等于Rin，假设电容器C2的电容正好是1000μF。随附的不是电池，而是数字电流表。在打开电源之前，在给电池充电和设置设备时，将可变电阻器 R3 滑块移至下部（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）。然后接通电源，通过移动电阻R3的滑块，将初始电流l0设置为约1A。接下来，SA1转到“减小”位置。在时间 T1（大约等于 T0）之后，测量电流 i1。电阻器R5*的校正电阻值通过公式R5*=R5[ln(l0/I1)]计算。最后安装电阻器R5，其阻值等于该校正值。

充电前的电池必须放电至 1...1,1 V 的电压，以防止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，则在充电前应将其冷却至环境温度 (0...+30 °C [2])。在将电池连接到充电器之前，需要确保充电器已断电，电阻器 R3 滑块处于下部（如图所示）位置，SA1 处于“常量”位置。接下来观察极性，装上电池，接通电源，用可变电阻R3按式（0）设定初始电流l3。此后，SA1切换至“递减”位置，经过ZTO时间后，电池即可使用。

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。
关于镍镉电池充电的一些知识（“国外”）。 - 广播，1996 年，第 7 期，第 48 页49、XNUMX。
Nechaev I. 加速电池充电。 - 广播，1995 年，第 9 期，p。 52,53。
Alekseev S. 用于镍镉电池和蓄电池的充电器。 - 广播，1997 年，第 1 期，第 44 页46-XNUMX。
Dolgov O. 国外充电器及其使用国产元件的类似物。 - 广播，1995 年，第 8 期，第 42,43 页XNUMX。
Dorofeev M. 充电器选项。 - 广播，1993 年，第 2 期，第 12,13 页。 XNUMX。
Tkvchev F. 热敏电桥的计算。 - 广播，1995 年，第 8 期，第 46 页。 XNUMX.
Biryukov S. 广泛应用的微电路稳压器。 - 广播，1999 年，第 20 页。 69-71。
BOURNS 的自恢复保险丝 MULT1FUSE。 - 广播，2000 年，第 11 期，第 49 页51-XNUMX。

作者：M. Evsikov，莫斯科

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