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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리용 고속 충전기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 충전기, 배터리, 갈바니 전지 이 기사에서 설명하는 장치는 기하급수적으로 감소하는 전류로 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리의 가속 충전을 위해 설계되었습니다. 장점으로는 45분에서 3시간 사이의 충전 시간 선택 기능, 제조 및 조정 용이성, 충전 종료 시 배터리 가열 없음, 충전 과정을 시각적으로 제어할 수 있는 기능, 자동 복구 기능이 있습니다. 전원을 껐다가 켰을 때의 프로세스로 사용이 간편합니다. 이 장치는 배터리의 충방전 특성을 측정하기 위한 스탠드로 사용할 수 있습니다. 큰 정전류(0,5E 이상, 여기서 E는 배터리 용량)로 충전할 때 배터리는 75 ... 80% 충전 후에 가열되기 시작하고 Ni-MH 배터리는 Ni-Cd [1 ]. 배터리가 완전히 충전된 후 온도가 급격히 상승하고[1], 이 과정이 제 시간에 멈추지 않으면 배터리가 점화되거나 폭발하면서 종료됩니다. 권장되는 충전 종료 온도는 +45°C입니다[2]. 그러나 이 기준은 비상 시에만 적합합니다. 과충전과 과열이 결합되면 배터리 용량이 줄어들고 결과적으로 수명이 단축됩니다. 배터리에서 특정 전압에 도달하는 것 또한 프로세스 종료에 대한 만족스러운 기준이 아닙니다. 사실 완전 충전에 해당하는 값은 온도와 배터리의 "나이"에 따라 달라지기 때문에 미리 알 수 없습니다. 몇 밀리볼트의 오차는 배터리 충전이 결코 끝나지 않거나 너무 빨리 끝나지 않는다는 사실로 이어집니다[3]. 정전류로 충전할 때 충전을 쉽게 제어할 수 있습니다. 이는 프로세스 기간에 정비례합니다. 특히, 그 값은 배터리의 공칭 용량과 동일하게 설정할 수 있습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 용량이 감소하고 서비스 수명이 끝나면 공칭 값의 약 80%가 됩니다. 따라서 충전을 공칭 용량으로 제한하는 것이 배터리 과충전 및 과열의 부재를 보장하지 않으므로 충전 종료의 유일한 기준이 될 수 없습니다. 프로세스 종료에 대한 가장 어려운 기준은 배터리의 전압이 최대에 도달한 다음 감소하기 시작하는 순간입니다. 배터리의 최대 전압은 만충전에 해당하지만 [2]에서는 충전 회복 과정에서 배터리가 가열된 결과로 나타난다. 최대값은 특히 Ni-MH 배터리(약 10mV)의 경우 매우 작기 때문에 ADC 또는 전압-주파수 변환기를 사용하여 이를 감지합니다[2]. 배터리를 충전할 때 서로 다른 셀의 최대 전압은 서로 다른 시간에 도달하므로 각각을 개별적으로 제어하는 것이 바람직합니다. 또한이 최대 값이없는 비정상적인 충전 특성을 가진 배터리가 있습니다. 즉, 전압만 모니터링하는 것만으로는 충분하지 않고 배터리를 통과하는 온도와 충전량을 모두 제어해야 합니다. 따라서 큰 정전류로 배터리를 충전할 때 여러 기준에 따라 각 요소를 제어해야 하므로 충전기가 복잡합니다. 낮은 전류(0,2E 이하)로만 충전하면 대용량 충전에도 배터리의 비상 과열이 발생하지 않습니다. 이 경우 각 요소의 상태를 모니터링할 필요가 없으며 충전기는 매우 간단하지만 충전 시간이 길다는 단점도 있습니다. 초기에 큰 충전 전류가 시간이 지남에 따라 감소하는 충전기가 있습니다[4-6]. 이 경우 각 배터리 셀의 상태를 모니터링할 필요도 없습니다. 그러나 이러한 장치에서는 충전량을 제어할 수 없으며 특정 전압의 달성이 완전 충전의 기준으로 사용되는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 만족스럽지 못합니다. [7]에서는 배터리가 저항을 통해 정전압원에서 커패시터로 충전되는 충전기에 대해 설명합니다. 이 경우 충전 전류는 이론적으로 등가 배터리 용량과 이 저항기의 저항을 곱한 값과 동일한 시간 상수로 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 감소해야 합니다. 실제로 충전 과정에서 소스의 등가 커패시턴스와 출력 임피던스가 변하기 때문에 시간에 대한 충전 전류의 의존성은 지수와 다릅니다. 그러나 표시된 차이를 무시하더라도 가장 중요한 매개 변수인 충전 시간 상수를 알 수 없으므로 배터리를 통과하는 충전량을 제어할 수 없습니다. 따라서 일정 전압에 도달하면 충전이 다시 종료됩니다. 제안된 장치에서는 가장 단순한 RC 회로를 사용하여 구현하기 쉽기 때문에 기하급수적으로 감소하는 펄스 형태의 충전 전류를 선택합니다. 자연스럽게 종료되어 일정 시간이 지나면 타이머가 배터리를 끌 필요가 없으며, 배터리가 충전기에 오래 있어도 충전이 제한됩니다. 충전 전류는 전류 생성기에 의해 생성되어야 하므로 그 값과 형태는 배터리의 전압이나 충전 특성의 비선형성에 의존하지 않습니다. 충전하는 동안 배터리 I를 통한 전류는 기하급수적으로 감소합니다. 나 = 나0exp(-t/T0), (1 년)
이 경우 각 배터리는 다음 식으로 추정되는 충전량 q를 받습니다. q = 나0Т0[1 - exp(-t/T)0)] = (나는0 -그것0. (2) 시간 t에 대한 I 및 q의 종속성 그래프가 그림 1에 나와 있습니다. 하나.
3T 동안0 충전은 0,95I에 도달합니다.0T0 그런 다음 값 I에 접근합니다.0Т0. 나는 값을 선택하는 것이 좋습니다0 그리고 티0 방식 I0 = nE, T0 = 1 h/n, 여기서 n = 1, 2, 3, 4. (3) 가장 편리한 값은 n \u1d 3입니다. 이 경우 초기 충전 전류는 전기 용량 E와 같고 충전 시간은 2시간입니다.(배터리를 밤새 충전기에 그대로 둘 수 있으며 아침까지 배터리가 충전됩니다. 완전히 충전됨). 이 충전 시간이 너무 길면 n 값이 증가합니다. n = 1,5일 때 초기 충전 전류 2E로 3시간이 소요됩니다. 이 모드는 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리에 적합합니다. n을 1으로 늘리면 충전 시간이 3시간으로 줄어들지만 초기 충전 전류는 4E로 증가한다. 마지막으로 n = 45에서 충전 시간은 4분으로 줄어들고 초기 충전 전류는 3E로 증가한다. Ni-Cd 배터리의 경우 내부 저항이 낮기 때문에(4ohm 미만) n 값이 0,1 및 4이면 허용됩니다. Ni-MH 배터리의 경우 내부 저항이 몇 배 더 크므로 큰 전류로 인해 충전 초기에 가열될 수 있으며 이는 허용되지 않습니다. XNUMX보다 큰 값은 권장하지 않습니다. 나는 선택할 수 있다0 식 (5)에 의해 결정된 것보다 3% 더 많습니다. 그러면 정확한 충전 시간은 3h/n이 되며 추가 5% 충전은 중요하지 않습니다. 장치의 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. XNUMX.
용량 C1의 커패시터, U 전압으로 미리 충전됨0는 입력 저항 Rin과 전류 이득 Ki를 갖는 전류 증폭기 A1을 통해 방전됩니다. 증폭기 Iin의 입력 회로의 전류는 다음 식에 의해 결정됩니다. 인 = 유0exp(-t/RinC1)/Rin. (4) 증폭기 출력 회로의 전류 I \u1d KiIin은 배터리 GBXNUMX을 충전합니다. 나 = 키유0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0 exp(-t/RinС1), (5)
U를 선택하기 편리한0 \u1d 1V, C1000 \u3d 3,6μF, (XNUMX)에서 Rin \uXNUMXd XNUMXMΩ / n S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) 예를 들어, E = 1Ah 및 n = 1일 때 다음 매개변수는 Rin = 3,6MΩ, S = 1A/V, Ki = 3600000 = 131dB여야 합니다. 장치의 개략도가 그림 3에 나와 있습니다. 2.1. 전류 증폭기는 연산 증폭기 DA2과 트랜지스터 VT3 및 VT1에 조립됩니다. 연산 증폭기의 공급 전압은 DA1 칩에 의해 안정화됩니다. 트랜지스터 VT1의 노드는 이 전압의 값을 제어합니다. 정상일 때 이 트랜지스터가 열리고 전류가 릴레이 K1.1의 코일을 통해 흐르고 릴레이 K1의 접점이 닫히고 HL1 LED가 켜지면서 장치의 정상 작동을 알립니다. SA2 스위치는 충전 모드를 선택합니다: 직류(접점이 닫혀 있을 때) 또는 기하급수적으로 감소하는(열린 경우). 저항 R3 및 R3은 전압 분배기를 형성합니다. 가변 저항 R1의 엔진 전압은 충전 전류를 결정합니다. "일정한"모드에서이 전압은 저항 R1.1과 릴레이 K2의 닫힌 접점을 통해 연산 증폭기의 비 반전 입력으로 공급됩니다. 출력 전류는 트랜지스터 VT3, VT11에 의해 증폭되고 저항 R5 및 R5 양단의 전압이 동일해지도록 설정됩니다. 현재 이득 Ki = R11/R10 및 다이어그램에 표시된 정격은 대략 XNUMX7, 그리고 전압-전류 변환 기울기 S = 1/R11 = 3 A/V.
"감소" 모드(SA1 스위치의 접점이 열려 있음)에서 2μF 용량의 커패시터 C1000는 공식 (5)에 의해 선택된 시정수를 사용하여 저항 R3를 통해 방전됩니다. 이 커패시터를 통해 기하급수적으로 감소하는 전류는 연산 증폭기 DA2.1 및 트랜지스터 VT2, VT3에 의해 증폭되고 X1 커넥터("출력")에 연결된 배터리를 충전합니다. 다이오드 VD2는 공급 전압이 꺼지면 방전되는 것을 방지합니다. 전류계 PA1은 충전 전류의 현재 값을 제어하는 데 사용됩니다. 커패시터 C5는 장치의 자기 여기를 방지합니다. 저항 R4, R8-R10 - 전류 제한. 그들은 예를 들어 저항 R2이 고장 나거나 트랜지스터 VT11이 고장 났을 때와 같은 비상 상황에서 연산 증폭기와 트랜지스터 VT3를 보호하여 다른 요소의 고장을 방지합니다. 전류가 감소하는 충전 모드에서 전원이 꺼지면 트랜지스터 VT1이 닫히고 릴레이가 접점 K1.1을 열어 커패시터 C2의 추가 방전을 방지합니다. HL1 LED가 꺼지면서 정전을 알립니다. 전원이 복구되면 트랜지스터 VT1이 열리고 릴레이 K1이 접점 K 1.1을 닫고 배터리 충전이 중단된 현재 값에서 자동으로 계속됩니다. HL1 LED가 다시 켜지면서 충전 재개를 알립니다. SB1 버튼을 누르면 충전 특성을 제거할 때 충전을 잠시 중단할 수 있습니다. 이 경우 커패시터 C4는 연산 증폭기의 입력에 대한 네트워크 간섭의 침투를 방지합니다. 이 장치는 범용 인쇄 회로 기판에 조립되고 310x130x180mm 크기의 하우징에 보관됩니다. AA 배터리는 케이스 상단 덮개의 홈에 삽입됩니다. 접점 소켓은 주석 도금 시트 테이프 조각 형태로 만들어지며 AA 셀용 표준 구획의 스프링으로 배터리에 눌러집니다. 스프링을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 상업적으로 이용 가능한 플라스틱 구획은 500mA를 초과하지 않는 전류에만 적합합니다. 사실은 접점 스프링을 통해 흐르는 전류가 배터리를 가열하는 동안 배터리도 가열한다는 것입니다. 이미 1A의 전류에서 스프링이 너무 많이 가열되어 구획의 플라스틱 케이스 벽을 녹여서 더 이상 사용할 수 없습니다. 트랜지스터 VT3은 표면적이 600cm인 늑골이 있는 방열판에 장착됩니다.2, 다이오드 VD2 - 면적이 50cm 인 플레이트 방열판2. 저항 R11은 1옴의 저항과 병렬로 연결된 1개의 MLT-3 저항으로 구성됩니다. 모든 고전류 연결은 단면적이 XNUMXmm인 구리선 조각으로 이루어집니다.2, 해당 부품의 결론에 직접 납땜됩니다. K1446UD4A(DA2) 연산 증폭기는 K1446UD1A 칩 또는 이러한 시리즈의 다른 칩으로 교체할 수 있지만 두 연산 증폭기 중에서 바이어스 전압이 더 낮은 것을 선택해야 합니다. 두 번째 연산 증폭기는 DC 충전 중에 과열될 때 배터리의 비상 종료를 위해 온도에 민감한 브리지[8]의 일부로 사용할 수 있습니다(감소하는 전류로 충전할 때 배터리 과열이 관찰되지 않음). 다른 유형의 연산 증폭기를 사용하는 경우 이 설계에서 전원 공급 장치는 단극성이므로 두 입력 모두에서 XNUMX 전압에서 작동해야 한다는 점을 염두에 두어야 합니다. KR1157EN601A(DA1) 초소형 회로는 인덱스 B가 있는 이 계열의 안정기와 K1157EN602 계열 초소형 회로로 교체할 수 있지만 후자는 다른 "핀아웃"을 가집니다[9]. 트랜지스터 VT1 - 모든 KP501 시리즈, VT2에는 정적 기본 전류 전달 계수 h가 있어야 합니다.21E 100 이상. 트랜지스터 KT853B (VT3)는 h21E 다른 유형의 트랜지스터를 VT1000, VT2으로 사용할 수 있지만 총 전류 이득은 3을 초과해야 합니다. 충전 시정수 T를 설정하는 커패시터 C20, 필요한 T 값 때문에 다이어그램에 표시된 공칭 값과 반드시 같을 필요는 없는 안정적인 용량을 가져야 합니다.0 저항 R5의 선택을 조정할 때 설정됩니다. 저자는 전압 마진이 큰 Jamicon의 산화물 커패시터(25배)를 사용했습니다. 릴레이 K1 - 전압 및 전류가 각각 2V 및 1mA인 ECE의 리드 릴레이 EDR0500H5A10. 가능한 대체품은 국산 릴레이 KUTs-1(여권 RA4. 362.900)입니다. PA1 전류계는 최대 충전 전류용으로 설계되어야 합니다(저자 버전에서는 4200A 전류용 M3 장치가 사용됨). 퓨즈 FU1은 BOURNS[300]의 자가 재설정 MF-R10입니다. 충전 시정수 T의 필요한 값을 설정하는 장치가 축소됩니다.0식 (3)에 의해 선택된다. 저항 R5의 저항은 커패시터 C7의 커패시턴스가 정확히 2μF라고 가정하고 공식 (1000)에 따라 Rin과 동일하게 선택됩니다. 배터리 대신 디지털 전류계가 포함되어 있습니다. 전원을 켜기 전에 배터리를 충전할 때와 장치를 설정할 때 모두 가변 저항 R3 슬라이더가 아래쪽(다이어그램에 따라) 위치로 이동되고 SA1 스위치의 접점이 닫힙니다(방전을 위해 필요합니다 커패시터 C2). 그런 다음 전원을 켜고 저항 R3의 슬라이더를 움직여 초기 전류 I0 약 1 A. 다음으로 SA1은 "감소" 위치로 이동됩니다. 시간 T 이후1 (대략 T와 동일0) 전류 I 측정1. 저항 R5*의 수정된 저항 값은 공식 R5* = R5[ln(I0/I1)]. 마지막으로 이 보정값과 같은 저항으로 저항 R5를 설치합니다. 배터리는 과충전 및 메모리 효과의 표시를 방지하기 위해 충전하기 전에 1...1.1V의 전압으로 방전해야 합니다[2]. 배터리가 방전 중에 뜨거워지면 충전하기 전에 주변 온도(0...+30 °C [2])로 냉각해야 합니다. 배터리를 충전기에 연결하기 전에 전원이 차단되고 저항 R3의 슬라이더가 아래쪽(다이어그램에 따라) 위치에 있고 SA1이 "일정한" 위치에 있는지 확인해야 합니다. 또한 극성을 관찰하여 배터리를 장착하고 전원을 켜고 가변 저항 R3을 사용하여 초기 전류 I0 식 (3)에 의해. 그 후 SA1은 "Decreasing" 위치로 이동하고 3T의 시간 후에0 배터리를 사용할 준비가 되었습니다. 장치에 전원을 공급하려면 불안정할 수 있는 8~24V의 전압 소스가 필요합니다. 2개에서 4개의 셀을 동시에 충전할 수 있습니다. 리플을 고려한 최소 공급 전압은 셀당 XNUMXV에 XNUMXV를 더한 값이어야 합니다(그러나 지정된 한계 내). 이 장치는 배터리의 충전뿐만 아니라 방전 특성을 측정하기 위한 스탠드로도 사용할 수 있습니다. 후자의 경우 테스트 중인 배터리를 장치에 역극성으로 연결해야 합니다. 전극의 전압은 전압계로 지속적으로 모니터링해야 합니다. 배터리의 우발적인 파손을 일으키지 않도록 극성을 변경해서는 안 됩니다. 이러한 이유로 직렬 연결된 여러 셀의 배터리를 이러한 방식으로 방전하는 것은 가장 작은 용량의 셀이 고장나는 순간을 놓칠 수 있으므로 권장하지 않습니다. 문학
저자: M. Evsikov, 모스크바; 간행물: cxem.net
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