密閉型ニカド電池の動作。スキーム、説明

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密閉型Ni-Cd電池の操作

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密閉型 Ni-Cd (ディスク型および円筒型) 電池が広く普及していることにより、その動作、充電方法および充電装置の問題にも大きな関心が集まっています。ラジオ誌を含め、これらのトピックに関する多くの記事が掲載されています。近年、充電式電池 (AB) を搭載した新しい家庭用電化製品の登場により、このテーマへの関心が大幅に高まっています。

しかし、バッテリーの動作に特化した記事はあまりありません。この状況の理由は非常に客観的です。AB の運用に関する調査の実施は、非常に時間と労力を要する作業です。そしてそれは完全にアマチュア無線家の能力を超えています。

もちろん、これはアマチュア無線家がこの種の仕事に従事すべきではないという意味ではありません。単に得られた結果を批判的に扱うべきであり、個々の結果に基づいて一般化すべきではありません。

典型的な例は、非対称電流でバッテリーを充電するよく知られた方法です [1、2]。誰もがその利点をよく知っていましたが、不明な点が XNUMX つだけ残っていました - それがどこから来たのか、元の情報源は何なのかということです。しかし、そのような「些細なこと」は明らかに誰も気にしていませんでした。なぜなら、この充電方法に基づいたXNUMX、XNUMX回の出版の後、人は安全に次のように書くことができるからです。「...よく知られているように、非対称電流でバッテリーを充電すると...」本文中。

もう XNUMX つの例は、よく参照されるウッドブリッジ法です。この製品は、発展途上にある自動車産業のニーズに合わせてバッテリーの大量生産が始まり、その運用上の問題が科学の関与を必要とするほど緊急性を増した時代に開発されました。この技術は特定の（酸）電池用に作成されたものであり、その適用範囲を拡大する理論的根拠は不明です。言い換えれば、この技術を他のバッテリーに使用することは正当化されません。

その結果、今日の状況は非常に混乱し、理解することがまったく不可能になってしまいました。これは、このテーマに関する一部の著者の誠実なレビューと、それに基づいて実際的な結論を得ようとする試みによって確認されています。著者は、参照している情報源の矛盾にさえ気づいていません。 [3] を含む真に本格的な出版物は、それほど一般的ではありません。

この記事では、このトピックに関して著者が蓄積した経験を提示するという、より控えめで、したがって非常に現実的な課題を設定しています。この記事は国産の密閉型 Ni-Cd バッテリーのみを対象としているため、この記事のすべての規定を他のバッテリーに適用する場合は、慎重かつ慎重に行う必要があることをもう一度思い出してください。

電池の主な特徴は電池に蓄えられるエネルギー量であり、その測定には通常、システム外の測定単位 (kWh またはその倍数) が使用されます。

実際には、バッテリーの別の特性、つまりバッテリーに蓄えられた電荷を使用する方が便利です。通常は容量と呼ばれます。 SI システムでは、充電はクーロン (1 C = 1A x 1 s) で測定されますが、多くの場合、システム以外の測定単位である Ah や、小容量バッテリーの場合は mAh も使用されます。人々はこのパラメーターに慣れすぎているため、バッテリーの主な指標が容量ではなく蓄積されたエネルギーの量であることを忘れている (またはまったく知らない) ことがよくあります。

バッテリーエネルギー E と容量 C の関係は、最も単純な式 E = C x Ucp によって決まります。ここで、Ucp はバッテリーの平均電圧です。この式は実践には十分な精度を提供します。より正確には、エネルギーは積分によって計算されます。

公称容量は電池の特性で与えられる代表的な値です。それは主にバッテリーの設計と製造技術によって決まります。後者の理由 (より正確には、製造時の技術的変動) により、バッテリーの容量は、たとえ XNUMX つの生産バッチであっても、最大 XNUMX 倍以上のばらつきがあるという事実が生じます。文献では、電池は同様の容量の電池から組み立てられることが時々示されていますが、もちろん、大量生産の条件では、これはまったく非現実的です。

ソ連では、公称容量は「未満未満」の原則に従って決定されることが多く、これにより、単に数値を変更するだけで、時間の経過とともにAB 7D-0,1やその他のバッテリーの容量を「増やす」ことが可能になる予備が提供されました。ラベルに。現在、7D-0,1 は 7D-0,125 になりました。特定のインスタンスであっても、周囲温度、充電および放電モードなどの多くのパラメータに依存するため、容量は多要素量であることに注意することが重要です。したがって、バッテリー容量について話すとき、その定義の方法論は次のとおりです。なぜなら、方法論を変更するだけで、容量を何度も「変更」することは難しくないからです。しかし、通常、与えられるのは方法論ではありません。

動作中、バッテリー電圧は最大値から最小値まで低下します。最小電圧は、バッテリーの残りのエネルギー (充電量) がわずかであり、これ以上の動作が実用的でなくなる電圧です。これは、電圧も急激に低下するためです (完全に放電すると、電圧はゼロになります)。ニカド電池の場合、最低電圧は約 1 V であり、この値が放電完了の明確な基準となります。したがって、バッテリーの動作範囲は最大から最小までの電圧範囲になります。作業領域では、残りのエネルギー (充電量) はバッテリーの電圧によっておおよそ決定できます。

公称電圧は最大値と最小値の平均です。これは通常、バッテリーの参考データに記載されているものです。 Ni-Cd バッテリーの場合、この電圧は約 1,2 V です。

バッテリーの定格電圧は、他のガルバニ電池と同様、その電気化学システム、つまりガルバニ対と電解質によってのみ決定されます。この値を変更することは構造的または技術的に不可能です。

充電が完了し、充電器の電源がオフになった後、バッテリー電圧 (UM3) は最大となり、約 1,43 ～ 1,45 V になります。電圧は急速に低下し、10 ～ 25 分後には 1,37 に等しい安定した値 UMp に達します。これらの値のばらつきは主に測定誤差によるものですが、これ以上の精度は必要ありません。

バッテリーの動作における主な問題は充電に関連しており、充電終了の信頼できる基準がないことが原因です。これにバッテリー電圧を使用することは、完全に充電される前に電圧に達する可能性があるため、効果的ではありません。この基準はアマチュアの設計でよく使用されました。最近の出版物では、XNUMX つの基準では不十分で追加の基準が必要であることが示されており、そのうちの XNUMX つはバッテリー温度の測定を提案しています。温度は、充電または加熱のための電気の「行き先」を決定できるため、重要なパラメータです。つまり、充電の程度ではなく、バッテリーの状態を決定できます。これに、他の条件が同じであれば、周囲温度の影響が大幅に現れることも付け加えます。

上記のことから、あまり安心できる結論ではありませんが、現在、充電終了の信頼できる基準はありません。より正確には、そのような基準がまだ XNUMX つあり、それについては以下で説明しますが、見かけの単純さにもかかわらず、その実装には非常に問題があります。

信頼できる充電終了基準がないことは、バッテリーが完全に充電されないため、確かに残念です。しかし、バッテリーは何十年にもわたって問題なく使用されてきました。そして最初に生じる疑問は、フル充電には実際にどれくらい必要なのかということです。実際の条件では、最大 15% の容量の差はほとんど感知できず、これは異なるコピー間の容量の変動よりも大幅に小さくなります。

密閉型バッテリーは、ハウジング内のガス圧によって密閉が確保されるように設計されています。充電するとこの圧力が増加し、ハウジング材料の降伏点に達するとバッテリーが膨張します。この場合、接点が破損し、バッテリーの完全な故障につながります。ディスクバッテリーの場合は、機能を復元できる場合があります。バイスで (絶縁ガスケットを介して) 元のサイズに圧縮する必要があります。さらに深刻な場合には、バッテリーが開いて (静かな爆発)、復元できなくなります。ガス圧力は充電終了の信頼できる基準として機能し、いずれの場合でも、それを超えると充電が危険になる限界を判断することができます。しかし、この方法の実際の実装は、大容量バッテリーであっても問題があり、小型バッテリーの場合はまったく非現実的です。

放電プロセス中に圧力が低下し、電圧が最小値を下回ると、シールができないレベルまで低下する可能性があり、電解液の漏れにつながります。トラブルの中でも特に、漏れた電解液がバッテリーの電極を分路し、その後表面漏れにより自己放電電流が増加することがあります。放電したバッテリーを長期間保管すると損傷する可能性があります。

長期間使用しなかったバッテリーは、容量と性能が低下することが知られています。数回の充放電サイクルで回復できます。これがどのように正確に行われるかは問題ではありません。いずれにしても「復活」は起こります。

時間の経過とともに、自然な老化プロセスが発生し、バッテリーの性能が低下します。バッテリーの耐用年数は通常 3 ～ 5 年ですが、通常の使用では 10 年以上確実に動作します。

実際には、最も一般的なのはいわゆる標準充電モードです。公称容量の 150% がバッテリーに「注入」され、15 C の電流で 0,1 時間充電されます。

バッテリーの効率、つまり供給エネルギーと受信エネルギーの比率は、さまざまな理由から判断することが非常に難しいため、通常はこの指標が示されません。小型バッテリーの場合、充電器での損失が明らかに大きいため、一般的には重要ではありません。これは、上記の標準充電モードに基づいて純粋に近似的に決定できます - 0,65 (65%)。

標準モードは実際に実績があり、参照モードと考えることができます。これを実装する充電器は非常にシンプルで、整流ダイオードとクエンチング抵抗が含まれています。この方法の利点は、「半分切れた」バッテリーでも充電できることです。ただし、充電時間が長いことと過充電の危険性という XNUMX つの重大な欠点もあります。確かに、後者はもはや方法ではなく、人に関係しています。多くの場合、時間内に充電器をオフにすることを忘れているだけです。

この方法には不明な点が 0,1 つだけあります。この 0.05C はどこから来たのか? 明確な答えはなく、何年にもわたって答えを得るのはほとんど不可能であるため、そのような体制は単に妥協の理由で選択されたと考えるしかありません。充電電流が低いと充電時間が許容できないほど長くなり（30C - 7時間）、電流が高いと充電器の出力を増加させる必要があり、それに応じてその寸法、重量、価格も増加します。著者がAB XNUMXD...で行った実験では、バッテリー容量に等しい電流で充電しても損傷につながらないことがわかりました。

安定した電圧源からバッテリーを充電する方法は、非常に興味深く、有望です。具体的には、安定電圧充電（SVC）と呼びます。

SSN方式により、バッテリー最大電圧に等しい過充電を完全になくすことが可能です。確かに、この電圧が UM3 と UMp のどちらであるべきかは完全には明確ではありません。保険のために、どちらか低い方 (UMp) を採用することをお勧めします。充電の開始時に電流は最大になりますが、しばらくすると、ほとんどの場合、電流はわずかに増加します（明らかに、バッテリーの内部抵抗が減少します）。次に、バッテリが充電されて電圧が上昇すると、電流が減少し、充電の終了時には漸近的にゼロ、より正確にはバッテリの自己放電電流に近づきます。完全に放電したバッテリーを充電する場合、初期のサージ電流は許容できないほど大きくなる可能性があるため、充電回路に電流制限抵抗を含めるなどして制限する必要があります。

この方法の主な欠点は、公称容量の 60 ～ 70% の充電が必要になることです。そのため、電子時計などのバックアップ電池としてのご使用をお勧めします。このようなデバイスのバッテリー容量がわずかに減少しても大きな問題ではなく、長期にわたる信頼性の高い動作を保証することがはるかに重要です。この方法は、15 ～ 20 分以内にバッテリーを動作状態にする必要がある場合にも使用することをお勧めします。

このモードでバッテリーが完全に充電されない理由は明らかです。供給電圧を上げる必要があるからです。この場合、充電電流は漸近的にゼロではなく、ある最小値に向かう傾向があります。この基本的に、充電電流の安定化は、充電終了の基準として機能します。より信頼性が高く、実装が容易な別の基準があります。それは、充電電流を最小値に近い値まで減らすことです。提案された方法を実際に実装するには、特定のバッテリーの充電モードを実験的に選択し、充電電圧と充電電流の終了を決定する必要があります。

自動充電器（CHD）の回路を図に示します。 1. 完全に放電したバッテリーを含め、あらゆる程度の放電状態のバッテリーを充電できます。バッテリ 7D-0.125 の公称充電時間は、バッテリあたり 1 V まで放電した場合、約 1,5 時間ですが、放電度が低いバッテリの場合は、それに応じて充電時間も短くなります。バッテリーの充電可能容量は公称容量の約0,85～0,95です。それはバッテリーの状態と、デバイスがオフになる電流の設定精度によって異なります。

密閉型Ni-Cd電池の操作

充電器の操作は非常に簡単です。電源と充電するバッテリーを接続した後、SB1 ボタンを短く押します。同時に信号LED HL1 が点灯し、充電が開始されます。バッテリーが充電されると、デバイスは自動的にオフになり、過充電の危険が完全に排除され、信号LEDが消えます。

充電器の基礎は電圧安定器 DA1 です。出力電圧の正確な値はトリミング抵抗 R9 で設定されます。ダイオード VD1 は、充電器の電源がオフになった後のバッテリーの放電を防止します。損失を減らすために、従来のシリコンダイオードと比較して電圧降下が低いショットキーダイオードが使用されています。インジケーター LED HL10 は、電流制限抵抗 R1 を介して充電器の出力に接続されています。コンデンサ C2 は、スタビライザの入力における非安定化電源のリップルを平滑化し、またその自励を防止します。

スイッチオフユニットは、異なる構造のトランジスタ VT1 と VT2 に組み込まれたトリガーです。初期状態では、電源を接続しバッテリーを充電した後、トリガーがオフになっています。オンにするには、SB1 ボタンを短く押します。この場合、トランジスタ VT1 が開き、抵抗 R2 を流れるコレクタ電流がトランジスタ VT2 を開き、充電器が動作を開始します。デバイスを流れる電流により、抵抗 R5 の両端に電圧降下が生じ、その電圧が抵抗 R6 および抵抗分圧器 R3R4 を介してトランジスタ VT1 のベースに供給されます。トリガーがオンになり、SB1 ボタンを放した後もデバイスは動作し続けます。

「パートタイム」抵抗器 R5 は、完全に放電したバッテリの充電開始時に最大電流制限器として機能します。充電プロセス中、バッテリーの電圧が上昇し、充電電流が減少します。設定された最小値に達すると、抵抗 R5 の両端の電圧降下が不十分になり、トリガーをオン状態に保つことができなくなります - 充電器がオフになり、充電が停止します。最小電流の正確な値はトリミング抵抗 R4 で設定されます。コンデンサ C1 は、充電器が不安定な電源から電力を供給されているときに発生する、抵抗 R5 の両端間の電圧リップルを平滑化します。

著者のバージョンでは、オープン回路出力電圧 12 V の国産の非安定化電源 BPN-1-18 を充電器への電力供給に使用していますが、出力電圧を備えた安定化電源を含む他の電源を使用することも可能です。少なくとも 15 A の電流で約 0,2 V (安定化電源の場合はわずかに低くなる可能性があります)。

このデバイスは、片面箔でコーティングされた厚さ 1,5 mm のグラスファイバー積層板で作られたプリント基板に取り付けられています。プリント基板の図面を図に示します。 2.

密閉型Ni-Cd電池の操作

このデバイスは SPZ-19a 調整抵抗を使用します。抵抗 R5 - MLT-0,5 または MT-0,5、R2 - MLT-0,25 または MT-0,25; それらは基板に対して垂直に取り付けられます。残りの永久抵抗器は、表面実装用のリードレスで、サイズ 1206 です。これらは、プリント導体の側面に取り付けられます。コンデンサ - K50-35 または同様の輸入品。 VD1 ダイオードの代わりに、許容電流が少なくとも 1 A の任意のショットキーダイオード、任意の LED を使用できます。ボタン SB1 - 固定なしの任意のボタン。電源を接続するためのコネクタも何でも構いませんが、主なことは、電源のコネクタと一致する必要があることです。

設定するには、抵抗値 560 オーム、電力 1 W の巻線可変抵抗器が必要です。これは充電器の出力に接続されており、SB1 ボタンを押した後にトリガーが確実に保持されるまで、抵抗値は徐々に減少します。解放されました。抵抗 R9 を調整することにより、出力電圧 (スタビライザー出力で直接測定されます) は 10,9 V に設定されます。

シャットダウン電流を設定するのは多少難しくなります。ミリ電流計シャントは充電電流の測定時に大きな誤差を引き起こすため、ミリ電流計をデバイスの入力に接続する必要があります。この場合、充電器自体が消費する電流が充電電流自体に加算されますが、結果はより正確になります。これを行うには、トリマ抵抗器 R4 を中間の位置にして充電器の入力で電流を測定し、それを約 43 mA に設定します。ターンオフ電流を一度に「捕捉」することは不可能であるため、望ましい結果が得られるまでにこれらの操作を数回実行する必要があります。

バッテリーを直接操作し、複数の制御充放電サイクルを実行することで、より正確な調整を行うことができます。

KR142EN22 スタビライザーは KR142EN12A または KR142EN12B に置き換えることができます。充電器の供給電圧を 16 ～ 17 V に上げる必要があります。

文学

ザハルチェンコ V. チャージャー。 - ラジオ、1975 年、第 4 号、p. 64.
Gazizov M. バッテリーの充電と回復のための自動装置。コレクション：「アマチュア無線を助けるために」、vol. 94. - M.: DOSAAF、1986 年。
Tenkov V.V.、Tsenter B.I. 密閉型ニッケルカドミウム電池の理論と操作の基礎。 - L.: エネルギーアトミズダット、1985 年。

著者: A. Mezhlumyan、モスクワ

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