 |
Аккумуляторы для мобильных устройств - методы заряда
|
|
|
|
Старушка купила автомобиль, проехала некоторое расстояние, и вдруг двигатель заглох. Вызванная служба технической поддержки констатировала - закончился бензин. Недоумевающая старушка подает в суд: при продаже ей никто не объяс-нил, что в машину еще нужно заливать бензин …
Итак, аккумуляторы надо заряжать. В этом их существенное отличие от батареек. Но прежде чем говорить о зарядных устройствах, коротко остановимся на основных методах заряда наиболее распространенных типов аккумуляторов. Следует отметить, что методы заряда аккумуляторов на основе никеля отличаются от методов заряда литий-ионных аккумуляторов. Поэтому при заряде последних обращайте внимание на то, в какое зарядное устройство вы их вставляете. Иными словами, не всякое зарядное устройство для никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металл гидридных (NiMH) аккумуляторов годится для заряда литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов.
Несколько слов о терминологии. Емкость аккумулятора обычно обозначается буквой "C" (capacity). Когда говорят о разряде, равном 1/10 C, то это означает разряд током, равным десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так, например, для аккумулятора емкостью 1000 мА*час это будет разряд током 1000/10 = 100 мА. Теоретически аккумулятор емкостью 1000 мА*час может отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мА в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.
Аналогично при заряде аккумуляторов, значение 1/10 C означает заряд током, численно равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.
Итак:
Методы заряда NiCd и NiMH аккумуляторов
|
|
|
Существующие методы можно разделить на 4 основные группы:
· медленный заряд - заряд постоянным током величиной 0.1 С или 0.2 С в течение примерно 15 или 6-8 часов соответственно.
· быстрый заряд - заряд постоянным током, равным 1/3 С в течение примерно 3 - 5 часов.
· ускоренный или дельта V заряд - заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно час - полтора.
· реверсивный заряд - импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.
Сразу оговорюсь: разделение это достаточно условно и зависит от фирмы-изготовителя аккумуляторов. Подход к вопросу о заряде аккумуляторов примерно такой: фирма разрабатывает различные типы аккумуляторов под различные применения и устанавливает для каждого типа рекомендации и требования по наиболее благоприятным методам заряда. В результате одинаковые по внешнему виду (размерам) аккумуляторы (одиночные элементы) могут потребовать применения различных методов заряда. Иллюстрацией данного подхода могут служить материалы, размещенные на [1] и [2].
Медленный метод заряда.
При таком методе возможно несколько вариантов: заряд полупостоянным током и заряд постоянным током.
При заряде полупостоянным током начальное значение тока устанавливается примерно равным 1/10 С. По мере продолжения заряда это значение уменьшается. Время заряда примерно 15-16 часов. Практически метод реализуется зарядом через токозадающий резистор от источника постоянного напряжения (см. [1] для NiCd аккумуляторов). Медленный заряд током в 1/10 C - обычно безопасен для любого аккумулятора.
При заряде постоянным током значение тока величиной 1/10 С поддерживается в течение всего времени заряда. (Рис.1)
|
|
|
Рисунок 1. Медленный метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов
Во время заряда наблюдается повышение напряжения на элементе аккумулятора. По достижении полного заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться.
Сокращение времени заряда в 2 - 2.5 раза возможно при увеличении тока до 0.2 С, но при этом необходимо ограничить время заряда 6 - 8 часами.
Метод быстрого заряда.
Разновидностью медленного заряда является метод быстрого заряда, при котором используется ток заряда величиной от 0.3 до 1.0 C. Но при этом возможен перегрев аккумулятора, особенно при токах заряда близких к 1 C. Для исключения перегрева и определения момента окончания заряда аккумулятора, в последний встраивается термопредохранитель и термодатчик. Термодатчик используется для измерения температуры, изменение которой рассматривается в качестве критерия для прекращения заряда. Дело в том, что при достижении полного заряда, температура элементов аккумулятора резко повышается. И когда она повысится на 10 градусов Цельсия и более по отношению к окружающей среде, заряд необходимо прекратить, или перейти в режим медленного заряда. При любом методе заряда в случае, если применяются большие токи заряда, дополнительно требуется предохранительный таймер.
Метод дельта V заряда.
Это наилучший и пожалуй основной метод быстрого заряда NiCd и NiMH аккумуляторов для сотовых телефонов. Сущность метода заключается в измерении изменения напряжения на аккумуляторе для определения (фиксирования) момента полного заряда и необходимости его прекращения.
Если измерять напряжение на выводах аккумулятора во время заряда постоянным током, то можно заметить, что напряжение сначала медленно повышается, а в точке полного заряда будет кратковременно уменьшаться. Величина уменьшения небольшая, примерно 15 - 30 мВ на элемент для NiCd и 5 - 10 для NiMH, но явно выражена. Этот небольшой спад напряжения и принимается за критерий прекращения заряда. Кроме того, метод дельта V заряда почти всегда сопровождается измерением температуры, что обеспечивает дополнительный критерий оценки степени заряда аккумулятора (а для верности зарядные устройства для больших аккумуляторов высокой емкости обычно имеют кроме этого и таймеры безопасности).
|
|
|
Рисунок 2. Метод дельта V заряда NiCd и NiMH аккумуляторов
На рис.2 приведен график заряда с током величиной в 1 C. После достижения полного заряда, ток заряда уменьшается до 1/30 … 1/50 C для компенсации явления саморазряда аккумулятора.
Существуют электронные схемы, разработанные специально для реализации метода дельта V заряда. Например MAX712 и MAX713. Реализация заряда по этому методу сложнее и дороже, чем другие, но дает хорошо воспроизводимые результаты. В тоже время следует отметить, что в аккумуляторе с хотя бы одним плохим элементом из цепочки последовательно соединенных, метод дельта V заряда может не работать и привести к разрушению остальных элементов.
NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с зарядом. Величина дельта V у них очень мала, и ее труднее обнаружить, чем в случае NiCd аккумуляторов. Поэтому NiMH аккумуляторы для сотовых телефонов имеют температурные датчики в качестве резервного средства для обнаружения момента полного заряда.
Другая проблема, возникающая при заряде по этому методу, заключается в том, что при использовании в автомобилях электрические помехи маскируют обнаружение дельта V, и телефоны в основном управляют зарядом по температуре. Это может привести к повреждению аккумулятора, поскольку в автомобиле телефон постоянно подключен и многократные запуски и остановки двигателя имеет место. Каждый раз, когда зажигание выключается на несколько минут и затем включается обратно, инициируется новый цикл заряда.
Реверсивный метод заряда.
В анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 [3,4] и CASP/2000L(H) используются реверсивные импульсные методы заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами. Считается, что такой метод заряда улучшает рекомбинацию газов, возникающих в процессе заряда, и позволяет проводить заряд большим током за меньшее время. Кроме того, восстанавливается площадь активной поверхности рабочего вещества аккумулятора, устраняя тем самым "эффект памяти".
На рис.3 схематично изображена временная диаграмма реверсивного метода заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, реализованная в анализаторе Cadex 7000. Цифрой 1 обозначен нагрузочный (разрядный) импульс, а цифрой 2 - зарядный.
Рисунок 3. Реверсивный метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов
Величина обратного импульса нагрузки определяется в процентах от тока заряда в диапазоне от 5 до 12 %. Оптимальное значение 9 %.
|
|
|
