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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Carregador de bateria rápido
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Carregadores, baterias, células galvânicas O dispositivo descrito no artigo foi projetado para carregamento acelerado de baterias Ni-Cd e Ni-MH com uma corrente exponencialmente decrescente. Suas vantagens incluem a capacidade de selecionar o tempo de carregamento na faixa de 45 minutos a 3 horas, facilidade de fabricação e ajuste, sem aquecimento das baterias no final do carregamento, capacidade de controlar visualmente o processo de carregamento, recuperação automática do processo quando a energia é desligada e ligada, facilidade de uso. O dispositivo pode ser usado como um suporte para medir as características de carga e descarga das baterias. Ao carregar com uma grande corrente constante (0.5E ou mais, onde E é a capacidade da bateria), a bateria começa a aquecer após 75 ... 80% de carga e as baterias Ni-MH aquecem mais do que Ni-Cd [1 ]. Depois que a bateria está totalmente carregada, a temperatura sobe rapidamente [1] e, se esse processo não for interrompido a tempo, termina com a ignição ou explosão da bateria. A temperatura de terminação de carregamento recomendada é de +45 °С [2]. No entanto, este critério é adequado apenas em caso de emergência: a combinação de sobrecarga com superaquecimento reduz a capacidade da bateria e, portanto, reduz sua vida útil. Atingir uma determinada tensão na bateria também não é um critério satisfatório para o final do processo. O fato é que seu valor correspondente a uma carga completa não é conhecido antecipadamente, pois depende da temperatura e da "idade" da bateria. Um erro de alguns milivolts leva ao fato de que o carregamento da bateria nunca termina ou termina cedo demais [3]. Ao carregar com uma corrente constante, é fácil controlar a carga - é diretamente proporcional à duração do processo. Em particular, seu valor pode ser ajustado igual à capacidade nominal da bateria. Mas com o tempo, sua capacidade diminui e no final de sua vida útil é de aproximadamente 80% do valor nominal. Portanto, limitar a carga à capacidade nominal não garante a ausência de sobrecarga e superaquecimento das baterias e, portanto, não pode ser o único critério para o término da carga. O critério mais difícil para o final do processo é o momento em que a tensão da bateria atinge o máximo e depois começa a diminuir. A tensão máxima na bateria corresponde a uma carga completa, mas em [2] é mostrado que é consequência do aquecimento da bateria no processo de recuperação de carga. O valor máximo é muito pequeno, especialmente para baterias Ni-MH (cerca de 10 mV), então ADCs ou conversores de tensão para frequência são usados para detectá-lo [2]. Ao carregar uma bateria, a tensão máxima de seus diferentes elementos é atingida em momentos diferentes, por isso é desejável controlar cada um deles separadamente. Além disso, existem baterias com característica de carregamento anormal, nas quais esse máximo está ausente. Ou seja, não basta monitorar apenas a tensão, é preciso também controlar tanto a temperatura quanto a quantidade de carga que passa pela bateria. Assim, ao carregar uma bateria com grande corrente constante, é necessário controlar cada um de seus elementos de acordo com vários critérios, o que dificulta o carregador. Apenas carregar com uma corrente baixa (não mais que 0,2E) não causa superaquecimento de emergência das baterias, mesmo com uma grande recarga. Nesse caso, o estado de cada elemento não precisa ser monitorado, o carregador acaba sendo muito simples, mas sua desvantagem também é óbvia - um longo tempo de carregamento. Existem carregadores em que a corrente de carga inicialmente grande diminui ao longo do tempo [4-6]. Neste caso, também não é necessário monitorar o estado de cada célula da bateria. Mas nesses dispositivos não há controle da quantidade de carga, e a obtenção de uma certa tensão é usada como critério para carga total, o que, como mencionado acima, não é satisfatório. Em [7], é descrito um carregador no qual a bateria é carregada como um capacitor a partir de uma fonte de tensão constante através de um resistor. Nesse caso, a corrente de carga teoricamente deveria diminuir exponencialmente ao longo do tempo com uma constante de tempo igual ao produto da capacidade equivalente da bateria pela resistência desse resistor. Na prática, a dependência da corrente de carga com o tempo difere da exponencial, pois a capacitância equivalente e a impedância de saída da fonte mudam durante o processo de carga. Mas mesmo que desconsideremos a diferença indicada, o parâmetro mais importante - a constante de tempo de carregamento - é desconhecido, pelo que é impossível controlar a carga que passa pela bateria. Portanto, o carregamento termina novamente quando uma determinada tensão é atingida ... No dispositivo proposto, a corrente de carga na forma de um pulso exponencialmente decrescente é escolhida por ser de fácil implementação usando o circuito RC mais simples. Ele termina naturalmente, eliminando a necessidade de um timer para desligar as baterias após um tempo pré-determinado, e a carga é limitada mesmo que as baterias fiquem no carregador por muito tempo. É essencial que a corrente de carga seja gerada por um gerador de corrente, para que seu valor e forma não dependam da tensão nas baterias, nem da não linearidade de suas características de carga. Durante o carregamento, a corrente através das baterias I diminui exponencialmente: I = l0exp(-t/T0), (1) onde t é o tempo; l0 - corrente inicial de carga; T0 é a constante de tempo de carga. Nesse caso, cada bateria recebe uma carga q, que é estimada pela expressão q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0. (2) Gráficos de dependências de I e q no tempo t são apresentados na fig. 1.
Pode-se observar que durante o tempo 0T0,95 a carga atinge o valor 0I0T0 e depois se aproxima do valor I0T0. Recomenda-se escolher os valores de I0 e TXNUMX de acordo com as fórmulas I0 \u0d nE, T1 \u1.2,3,4d 3 h / n, onde n \uXNUMXd XNUMX. (XNUMX) O valor mais conveniente é n \u1d 3. A corrente de carga inicial neste caso é igual à capacidade elétrica E, o tempo de carga é de 2 horas (você pode praticamente deixar as baterias no carregador durante a noite e pela manhã elas estarão Completamente carregado). Se esse tempo de carregamento for muito longo, o valor de n é aumentado. Em n = 1,5, será de 2 horas com uma corrente de carga inicial de 3E. Este modo é adequado para baterias Ni-Cd e Ni-MH. Aumentar n para 1 reduz o tempo de carregamento para 4 hora, mas a corrente de carregamento inicial aumenta para 45E. Finalmente, em n = 4, o tempo de carregamento é reduzido para XNUMX min e a corrente de carregamento inicial é aumentada para XNUMXE. Valores de n iguais a 3 e 4 são aceitáveis para baterias Ni-Cd, desde que sua resistência interna seja baixa (inferior a 0,1 ohm). Quanto às baterias Ni-MH, sua resistência interna é várias vezes maior, portanto, uma grande corrente pode aquecê-las no início do carregamento, o que é inaceitável. Valores maiores que 4 não são recomendados. É possível escolher I0 5% maior que o determinado pela fórmula (3). Então, o tempo exato de carregamento será de 3 h/n, e uma recarga adicional de 5% não é significativa. O princípio de funcionamento do dispositivo é ilustrado na Fig. 2.
O capacitor C1, pré-carregado para a tensão U0l, é descarregado através do amplificador de corrente A1 com resistência de entrada Rin e ganho de corrente Ki. A corrente no circuito de entrada do amplificador Iin | P é determinada pela expressão lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (quatro) A corrente no circuito de saída do amplificador I = Kilin carrega a bateria GB1: I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) onde S = Ki/Rin é a inclinação de ganho do amplificador quando visto como um conversor de tensão para corrente. Comparando (2) e (5), temos Т0 = RinC1, I0 = KU0/Rin = SU0.(6) É conveniente escolher U0 = 1 V, C1 = 1000 μF, então de (3) segue-se que Rin = 3,6 MΩ / n, S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) Por exemplo, em E = 1 Ah e n = 1, os seguintes parâmetros devem ser: Rin = 3,6 MΩ, S = 1 A/V, K = 3600000 = 131 dB. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na fig. 3.
O amplificador de corrente é montado no amplificador operacional DA2.1 e nos transistores VT2 e VT3. A tensão de alimentação do amplificador operacional é estabilizada pelo chip DA1. O nó no transistor VT1 controla o valor dessa tensão. Quando está normal, este transistor está aberto, a corrente flui pela bobina do relé K1, os contatos do relé K1.1 estão fechados, o LED HL1 acende, sinalizando o funcionamento normal do dispositivo. A chave SA1 seleciona o modo de carregamento: corrente contínua (quando seus contatos estão fechados) ou decrescente exponencial (quando estão abertos). Os resistores R2 e R3 formam um divisor de tensão. A tensão no motor do resistor variável R3 determina a corrente de carga. No modo "Constante", essa tensão é alimentada através do resistor R1 e dos contatos fechados do relé K1.1 para a entrada não inversora do amplificador operacional. Sua corrente de saída é amplificada pelos transistores VT2, VT3 e é ajustada para que as tensões nos resistores R11 e R5 se tornem as mesmas. O ganho de corrente K, = R5/R11 e com as classificações indicadas no diagrama é aproximadamente igual a 107, e a curva de conversão de tensão b corrente S=1/R11=ZA/V. No modo "Decrescente" (os contatos da chave SA1 estão abertos), o capacitor C2 com capacidade de 1000 μF é descarregado através do resistor R5 com uma constante de tempo selecionada pela fórmula (3). A corrente decrescente exponencialmente através deste capacitor é amplificada pelo amplificador operacional DA2.1 e transistores VT2, VT3 e carrega as baterias conectadas ao conector X1 ("Saída"). O diodo VD2 evita que eles descarreguem quando a tensão de alimentação é desligada. O amperímetro PA1 é usado para controlar o valor atual da corrente de carga. O capacitor C5 evita a auto-excitação do dispositivo. Resistores R4, R8-R10 - limitação de corrente. Eles protegem o amplificador operacional e o transistor VT2 em situações de emergência, por exemplo, quando o resistor R11 quebra ou o transistor VT3 quebra, evitando a falha de outros elementos. Quando a energia é desligada no modo de carregamento com uma corrente decrescente, o transistor VT1 fecha e o relé abre os contatos K1.1, impedindo a descarga adicional do capacitor C2. O LED HL1 apaga, sinalizando falta de energia. Com a restauração da energia, o transistor VT1 abre, o relé K1 fecha os contatos K1.1 e o carregamento da bateria continua automaticamente a partir do valor atual em que foi interrompido. O LED HL1 acende novamente, sinalizando a retomada do carregamento. Ao pressionar o botão SB1, você pode interromper brevemente o carregamento ao remover as características de carregamento. Nesse caso, o capacitor C4 impede a penetração de interferência de rede na entrada do amplificador operacional. O dispositivo é montado em uma placa de circuito impresso universal e alojado em um invólucro com dimensões de 310x130x180 mm. As pilhas AA são colocadas em uma ranhura na tampa superior do gabinete. Os soquetes de contato são feitos na forma de pedaços de fita de folha estanhada, que são pressionados contra as baterias por uma mola de um compartimento padrão para uma pilha AA. Nenhuma corrente flui através da mola. Deve-se notar que os compartimentos de plástico disponíveis comercialmente são adequados apenas para correntes não superiores a 500 mA. O fato é que a corrente que flui pelas molas de contato as aquece, enquanto as baterias também esquentam. Já com uma corrente de 1 A, as molas esquentam tanto que derretem a parede da caixa plástica do compartimento, impossibilitando seu uso posterior. O transistor VT3 é montado em um dissipador de calor com nervuras com uma área de superfície de 600 cm2, o diodo VD2 é montado em um dissipador de calor com uma área de 50 cm2. O resistor R11 é composto por três resistores MLT-1 conectados em paralelo com uma resistência de 1 ohm. Todas as conexões de alta corrente são feitas com pedaços de fio de cobre com seção transversal de 3 mm2, que são soldados diretamente nas conclusões das partes correspondentes. O amplificador operacional K1446UD4A (DA2) pode ser substituído por um chip K1446UD1A ou outro dessa série, mas entre os dois amplificadores operacionais, você precisa escolher aquele com a tensão de polarização mais baixa. O segundo amplificador operacional pode ser usado como parte de uma ponte sensível à temperatura [8] para desligamento de emergência das baterias quando elas superaquecem durante o carregamento CC (não foi observado superaquecimento das baterias ao carregar com corrente decrescente). No caso de utilizar outros tipos de amplificadores operacionais, deve-se ter em mente que neste projeto sua fonte de alimentação é unipolar, portanto deve funcionar em tensão zero em ambas as entradas. O microcircuito KR1157EN601A (DA1) é substituível pelo estabilizador desta série com índice B, assim como pelo microcircuito da série K1157EN602, porém, este último possui uma "pinagem" diferente [9]. Transistor VT1 - qualquer uma das séries KP501, VT2 deve ter um coeficiente de transferência de corrente estática da base h21E de pelo menos 100. O transistor KT853B (VT3) difere porque seu h21E excede 1000. Outros tipos de transistores podem ser usados como VT2, VT3, mas a corrente de ganho geral deve exceder 100. O capacitor C2, que define a constante de tempo de carregamento T0, deve ter uma capacitância estável, não necessariamente igual ao valor nominal indicado no diagrama, pois o valor necessário de T0 é definido ao ajustar a seleção do resistor R5. O autor usou um capacitor de óxido Jamicon com uma grande margem de tensão (25 vezes). Relé K1 - relé reed EDR2H1A0500 da ECE com tensão e corrente de operação, respectivamente, 5 V e 10 mA. Uma possível substituição é um relé de fabricação nacional KUTs-1 (passaporte RA4.362.900). O amperímetro PA1 deve ser projetado para a corrente máxima de carga (na versão do autor, o dispositivo M4200 foi usado para a corrente ZA). O fusível FU1 é um MF-R300 auto-reinicializável da BOURNS [10]. A configuração do dispositivo é reduzida à configuração do valor necessário da constante de tempo de carregamento T0, selecionada pela fórmula (3). A resistência do resistor R5 é escolhida igual a Rin de acordo com a fórmula (7), assumindo que a capacitância do capacitor C2 é exatamente 1000 μF. Em vez de baterias, um amperímetro digital está incluído. Antes de ligar a energia, tanto ao carregar as baterias quanto ao configurar o dispositivo, o controle deslizante R3 do resistor variável é movido para a posição inferior (conforme o diagrama) e os contatos da chave SA1 são fechados (isso é necessário para descarregar o capacitor C2). Em seguida, a energia é ligada e, movendo o controle deslizante do resistor R3, a corrente inicial l0 é ajustada para cerca de 1 A. Em seguida, SA1 é transferido para a posição "Decrescente". Após um tempo T1 (aproximadamente igual a T0), a corrente i1 é medida. O valor corrigido da resistência do resistor R5* é calculado pela fórmula R5* = R5[ln(l0/I1)]. Finalmente, um resistor R5 é instalado com uma resistência igual a este valor corrigido. As baterias antes do carregamento devem ser descarregadas para uma tensão de 1...1,1 V para evitar a sobrecarga e a manifestação do efeito de memória [2]. Se as baterias ficarem quentes durante o descarregamento, elas devem ser resfriadas até a temperatura ambiente (0...+30 °С [2]) antes do carregamento. Antes de conectar as baterias ao carregador, verifique se ele está desenergizado, o controle deslizante do resistor R3 está na posição inferior (conforme o diagrama) e o SA1 está na posição "Constante". Além disso, observando a polaridade, instale as baterias, ligue a energia e use o resistor variável R3 para definir a corrente inicial l0 de acordo com a fórmula (3). Depois disso, o SA1 é transferido para a posição “Decrescente” e, após o tempo de XNUMX, as baterias estão prontas para uso. Para alimentar o dispositivo, você precisa de uma fonte de tensão de 8 a 24 V, que pode ser desequilibrada. Você pode carregar de uma a dez células ao mesmo tempo. A tensão mínima de alimentação, levando em consideração a ondulação, deve ser de 2 V por célula mais 4 V (mas dentro dos limites especificados). O dispositivo pode ser usado como suporte para não apenas carregar, mas também descarregar as características das baterias. Neste último caso, a bateria em teste deve ser conectada ao dispositivo em polaridade inversa. A tensão em seus eletrodos deve ser constantemente monitorada com um voltímetro. Não deve ser permitido alterar sua polaridade, para não causar destruição acidental da bateria. Por esta razão, não é recomendado descarregar uma bateria de várias células conectadas em série desta forma, pois é possível perder o momento de falha da célula de menor capacidade. Literatura
Autor: M. Evsikov, Moscou
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