Принцип работы умных зарядных устройств

В нынешнее время производители электроники для питания чаще используют элементы питания, в основе которых лежат литиевые технологии: литий-полимер (Li-Po), литий-ион (Li-ion). Плюс таких аккумуляторов в том, что у них большая удельная емкость, низкий саморазряд, способность отдавать большие токи при разряде и такие аккумуляторы изготавливаются любых форм и размеров. Для заряда таких аккумуляторов нужны специальные зарядные устройства.

Стандартные аккумуляторы
49499021

Потребители часто приобретают такие устройства, которые работают на стандартных аккумуляторах типа АА или ААА. Они могут быть заменены обычными батарейками и специального зарядного устройства не требуется. Все реже и реже появляются, раньше использовавшие аккумуляторы NiMH. Они имеют емкость на 40% больше чем NiCD аккумуляторы. NiMH аккумуляторы с каждым днем совершенствуются. К примеру, если раньше у них саморазряд был высоким, то теперь некоторые аккумуляторы имеют минимальный саморазряд.

Способы зарядки аккумулятора

Когда заряжается аккумулятор, в нем происходят химические преобразования. Та энергия, которая поступает при зарядке, часть нее тратиться на эти преобразования, а часть превращается в тепло. NiMH аккумуляторы при зарядке нагреваются сильнее чем Nicd потому что химические реакции, протекающие при его заряде, являются экзотермическими.

43001678

Скорость заряда аккумулятора зависит от величины зарядного тока. Ток зарядки измерят в единицах С – численное значение емкости аккумулятора. Есть несколько видов зарядки:

• капельная зарядка (trickle charge) – ток 0.1 С
• быстрая зарядка (quick charge) – ток 0.3 С
• ускоренная зарядка (fast charge) – ток 0.5-1.0 С

Капельная зарядка

При капельном заряде выбирают маленький ток, потому что зарядка продолжается, если даже аккумулятор заряжен. При таком малом токе аккумулятор не так сильно нагревается. Точно определить окончание процесса зарядки тут невозможно.

Быстрая зарядка аккумулятора

85599249

Такая зарядка с током 1С рекомендована не всем аккумуляторам, потому что может открыться вентиляционное отверстие аккумулятора, при высокой температуре окружающей среды (до +40). При быстрой зарядке нужно во время прекратить процесс заряда.

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-of Tcharge)
7. Поддерживающая зарядка (Maintenance charge)

27342867

Фаза определения наличия аккумулятора. Здесь проверяется напряжение на выводах аккумулятора при включенном генераторе зарядного тока примерно 0.1С. Если при этом напряжение будет 1.8 В, аккумулятор отсутствует или поврежден. При высоком напряжении зарядка не должна начинаться, как только будет обнаружено низкое напряжение, зарядка начнется. В остальных фазах должна проводиться проверка наличия аккумулятора, потому что на любой фазе аккумулятор может быть вынут и зарядное устройство должно возвращаться к первой фазе.

Фаза квалификации аккумулятора. С этой фазы начинается зарядка аккумулятора. Эта фаза нужна для оценки начального заряда аккумулятора. Судя по напряжению на аккумуляторе, нужно определить, нужна пред-зарядка или нет.

Фаза пред-зарядки. Эта фаза не должна длиться более 30 минут. Фаза пред-зарядки требуется для глубоко разряженных аккумуляторов. Для всех длительных фаз нужен контроль температуры, она не должна превышать 60 градусов во время зарядки.

Фаза перехода к быстрой зарядке. Не желательно сразу включать быстрый ток, лучше постепенно превышать в течение 2-х минут. Быструю зарядку можно начинать, если напряжение на аккумуляторе выше 0.8 В.

Фаза быстрой зарядки. Самое главное в этой фазе – вовремя прекратить заряд, иначе аккумулятор разрушиться. Чтобы вовремя остановить зарядку, можно использовать несколько методов определения заряда.

Для NiCd аккумуляторов применяется dV-метод – это самый быстрый метод определения заряда, к концу зарядки напряжения на аккумуляторе понижается.

Для NiMH аккумуляторов dV-метод работает не так хорошо. И используют dV=0 метод. Здесь детектируют постоянство напряжения на аккумуляторе. Если в течении 10 минут напряжение одно и то же, то пора отключать зарядку.

Также, окончание зарядки можно определить по температуре, так как к концу зарядки давление внутри аккумулятора растет и повышается температура. Некоторые зарядные устройства вместо постоянного тока используют импульсный. Импульсы тока длятся 1 сек. Плюсом такого метода является то, что он лучше выравнивает концентрацию активных веществ по всему объему, уменьшает вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивацию.

Фаза дозарядки. В этой фазе ток зарядки должен быть 0.1-0.3 С. Длительность дозарядки – 30 минут, далее уже будет перезарядка. После быстрого заряда лучше остудить аккумулятор и после начать процесс дозарядки.

Фаза поддерживающей зарядки. Постоянный ток для аккумулятора вреден, так как аккумулятор постоянно будет иметь высокую температуру. После окончания зарядки, аккумуляторы NiCd переходят в капельный режим, для поддержания заряда. А аккумуляторы NiMH не переносят перезаряд и поэтому поддержание заряда им пользу мало принесет. В принципе, можно обойтись и без этой фазы.

Сверхбыстрый заряд

Можно использовать ток до 3С. Когда аккумулятор заряжен на 70%, заряд нужно уменьшить и продолжать в обычном режиме. Если этого не сделать сверхвысокий нагрев аккумулятора разрушит его или даже взрыв.

«Умное» зарядное устройство

01403654

Аккумуляторы одного форм-фактора. К примеру, NiMH аккумуляторы размера АА имеют емкость 1900-2850 мА/ч, а аккумуляторы размера ААА – 750-1100 мА/ч. Ток зарядки должен быть пропорционален емкости аккумулятора. При зарядке большим током аккумулятора с маленькой емкостью, будет нагрев. При зарядке маленьким током, время зарядки будет длительным. В общем, зарядное устройство должно контролировать ток, то есть, использовать большой ток для аккумуляторов с большой емкостью и маленький ток для меньшей емкости. В этом заключается смысл «умного» зарядного устройства.

Проблема выключения питания зарядного устройства

Если при процессе зарядки питание зарядного устройства выключено, то при включении питания должен произойти переход на фазу определения наличия аккумулятора. При этом зарядка начинается сначала и дозарядка будет произведена полностью. Минус частой дозарядки в том, что оно может перерасти в перезарядку. «Умный» аккумулятор Li+ содержит контролер, измеряющий величину заряда.

Первичные источники тока

Первичные источники тока – это батарейки (щелочные и марганцево-цинковые). Отличие между первичными источниками и аккумуляторами является внутреннее сопротивление, которое у первичных источников выше. Если внутреннее сопротивление будет больше нормы, процесс зарядки прервется.

Эффект памяти и восстановления аккумуляторов

Проявляется эффект памяти в NiCd аккумуляторах. Смысл эффекта заключается 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. Такая полная разрядка рекомендуется проводить в аккумуляторах NiMH перед их зарядкой. Будет лучше, если иметь зарядное устройство с функцией разряда.

Взаимодействие аккумуляторов в сборке

Отдельные аккумуляторы в батареи могут иметь разные характеристики. Аккумуляторы, которые имеют меньшую емкость, будут разрушаться в процессе разрядки сборки. И каждый аккумулятор в батареи должен заряжаться отдельно, но в готовых сборках есть только два вывода и возможен только совместный заряд. В этом случае нужно выравнивание.