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無線電子工学および電気工学の百科事典 高速バッテリー充電器
無線電子工学と電気工学の百科事典 / 充電器、バッテリー、ガルバニ電池 この記事で説明されているデバイスは、指数関数的に減少する電流による Ni-Cd および Ni-MH バッテリーの加速充電用に設計されています。 利点としては、充電時間を 45 分から 3 時間の範囲で選択できること、製造と調整が容易であること、充電終了時にバッテリーが加熱しないこと、充電プロセスを視覚的に制御できること、バッテリー残量が自動的に回復することなどが挙げられます。電源OFF→ON時の処理も簡単に行えます。 電池の充放電特性を測定するためのスタンドとして使用できます。 大きな定電流 (0.5E 以上、E はバッテリー容量) で充電すると、75 ～ 80% の充電後にバッテリーが発熱し始め、Ni-MH バッテリーは Ni-Cd よりも発熱します [1 ]。 バッテリーが完全に充電されると、温度が急激に上昇します [1]。このプロセスが時間内に停止しないと、バッテリーが発火または爆発して終了します。 推奨される充電終了温度は +45 °С です [2]。 ただし、この基準は緊急時にのみ適しています。過充電と過熱が重なるとバッテリーの容量が低下し、その結果、バッテリーの耐用年数が短くなります。 バッテリーが特定の電圧に達することも、プロセスを終了するための十分な基準ではありません。 実際には、完全充電に対応する値は、温度とバッテリーの「使用年数」に依存するため、事前にはわかりません。 数ミリボルトの誤差は、バッテリーの充電が終わらない、またはすぐに終わるという事実につながります [3]。 定電流で充電する場合、充電を制御するのは簡単です - それはプロセスの持続時間に正比例します。 特に、その値はバッテリーの公称容量に等しく設定できます。 しかし、時間の経過とともに容量が減少し、耐用年数の終わりには公称値の約 80% になります。 したがって、充電を公称容量に制限しても、バッテリーの過充電や過熱がないことを保証するものではなく、充電終了の唯一の基準にはなりません。 プロセスの終了の最も難しい基準は、バッテリーの電圧が最大値に達し、その後減少し始める瞬間です。 バッテリーの最大電圧は完全充電に相当しますが、[2] では、これは充電回復の過程でのバッテリーの加熱の結果であることが示されています。 最大値は、特に Ni-MH バッテリーの場合 (約 10 mV) 非常に小さいため、これを検出するために ADC または電圧 - 周波数コンバータが使用されます [2]。 バッテリーを充電する場合、さまざまな要素の最大電圧に異なる時間に達するため、それぞれを個別に制御することが望ましいです。 さらに、この最大値が存在しない異常な充電特性を持つバッテリーもあります。 つまり、電圧を監視するだけでは不十分で、温度とバッテリーに通過する充電量の両方を制御する必要があります。 したがって、大きな定電流でバッテリを充電する場合、いくつかの基準に従って各要素を制御する必要があり、充電器が複雑になります。 低電流 (0,2E 以下) で充電するだけで、大量の再充電を行ってもバッテリーが緊急に過熱することはありません。 この場合、各要素の状態を制御する必要はなく、充電器は非常に単純であることがわかりますが、充電時間が長いという欠点も明らかです。 初期の大きな充電電流が時間の経過とともに減少する充電器があります [4-6]。 この場合も、各電池要素の状態を監視する必要はありません。 しかし、これらのデバイスでは充電量を制御することはできず、特定の電圧の達成が完全充電の基準として使用されますが、これは前述のように満足のいくものではありません。 [7] では、定電圧源から抵抗を介してバッテリーをコンデンサとして充電する充電器が説明されています。 この場合、充電電流は理論的には、等価バッテリ容量とこの抵抗器の抵抗値の積に等しい時定数で、時間の経過とともに指数関数的に減少するはずです。 実際には、充電プロセス中に電源の等価容量と出力インピーダンスが変化するため、充電電流の時間依存性は指数関数的とは異なります。 しかし、示された違いを無視したとしても、最も重要なパラメータである充電時定数は不明であり、その結果、バッテリーを通過する充電を制御することは不可能です。 そのため、一定の電圧に達すると再び充電が終了してしまいますが…… 提案されたデバイスでは、最も単純な RC 回路を使用して簡単に実装できるため、指数関数的に減少するパルスの形の充電電流が選択されます。 自然に終了するため、一定時間経過後に電源を切るタイマーが不要で、充電器に長時間入れていても充電が制限されます。 充電電流が電流発生器によって生成されることが不可欠であるため、その値と形式はバッテリの電圧や充電特性の非線形性に依存しません。 充電中、電池を流れる電流 I は指数関数的に減少します。 I = l0exp（-t / T0）、（1） ここで、t は時間です。 l0 - 初期充電電流。 T0 は充電時定数です。 この場合、各バッテリーは電荷 q を受け取ります。これは次の式で推定されます。 q = I0T0 [1-exp（-t / T0）] =（I0-I）T0。 （2） 時間 t に対する I と q の依存性のグラフを図 1 に示します。 XNUMX。
時間 0T0,95 の間に、電荷は値 0I0T0 に達し、その後値 I0T0 に近づくことがわかります。 式に従って I0 と TXNUMX の値を選択することをお勧めします I0 \u0d nE、T1 \u1.2,3,4d 3 h / n、n \uXNUMXd XNUMX. (XNUMX) 最も便利な値は n \u1d 3 です。この場合の初期充電電流は電気容量 E に等しく、充電時間は 2 時間です（実際には、バッテリーを充電器に一晩放置しておくと、朝までにバッテリーが充電されます）完全に充電されています）。 充電時間が長すぎる場合は、n の値を大きくします。 n = 1,5 の場合、初期充電電流 2E で 3 時間になります。 このモードは、Ni-Cd および Ni-MH バッテリーに適しています。 n を 1 に増やすと、充電時間は 4 時間に短縮されますが、初期充電電流は 45E に増加します。 最後に、n = 4 では、充電時間が XNUMX 分に短縮され、初期充電電流が XNUMXE に増加します。 Ni-Cd バッテリーでは内部抵抗が低い (3 オーム未満) ため、n の値が 4 および 0,1 であれば許容されます。 Ni-MH バッテリーは内部抵抗が数倍大きいため、充電開始時に大電流が流れると発熱する可能性があり、これは許容できません。 4 を超える値は推奨されません。 式(0)より5%大きいI3を選択することも可能です。 この場合、正確な充電時間は 3 時間/n となり、さらに 5% 充電しても重要ではありません。 デバイスの動作原理は、図に示されています。 2.
電圧Ｕ０１にプリチャージされたコンデンサＣ１は、入力抵抗Ｒｉｎおよび電流利得Ｋｉを有する電流増幅器Ａ１を介して放電される。 アンプの入力回路の電流 Iin | P は次の式で決まります。 lin = U0exp（-t / RinC1）/Rin。 （四） 増幅器の出力回路の電流 I = キリン バッテリー GB1 を充電します。 I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) ここで、S = Ki/Rin は、電圧/電流コンバータとして見た場合のアンプのゲイン スロープです。 (2) と (5) を比較すると、 Т0 = RinC1、I0 = KU0/Rin = SU0.(6) U0 = 1 V、C1 = 1000 μF を選択すると便利です。その場合、(3) から、Rin = 3,6 MΩ / n、S = nE、Ki = SRin = 3600000E となります。 （7） たとえば、E = 1 Ah および n = 1 では、パラメータは次のようになります: Rin=3,6 MΩ、S=1 A/V、K=3600000=131 dB。 デバイスの概略図を図3に示します。 XNUMX。
電流アンプは、オペアンプ DA2.1 とトランジスタ VT2 および VT3 で構成されています。 オペアンプの電源電圧はDA1チップによって安定化されています。 トランジスタ VT1 のノードは、この電圧の値を制御します。 正常な場合、このトランジスタは開き、リレー K1 のコイルに電流が流れ、リレー K1.1 の接点が閉じ、HL1 LED が点灯し、デバイスが正常に動作していることを示します。 SA1 スイッチは、充電モードを選択します: 直流 (接点が閉じているとき) または指数関数的に減少する (接点が開いているとき)。 抵抗 R2 と R3 は分圧器を形成します。 可変抵抗器 R3 のエンジンの電圧によって充電電流が決まります。 「定数」モードでは、この電圧は抵抗器 R1 とリレー K1.1 の閉接点を介してオペアンプの非反転入力に供給されます。 その出力電流はトランジスタVT2、VT3によって増幅され、抵抗R11とR5の両端の電圧が同じになるように設定されます。 電流利得 K = R5/R11 は、図に示されている定格では 107 にほぼ等しく、電圧変換勾配 b 電流は S=1/R11=ZA/V となります。 「減少」モード（SA1スイッチの接点が開いている）では、2μFの容量のコンデンサC1000が、式（5）で選択された時定数で抵抗R3を介して放電されます。 このコンデンサを流れる指数関数的に減少する電流は、オペアンプDA2.1とトランジスタVT2、VT3によって増幅され、X1コネクタ（「出力」）に接続されたバッテリを充電します。 ダイオードVD2は、供給電圧がオフになったときにそれらが放電するのを防ぎます。 電流計PA1は、充電電流の電流値を制御するために使用されます。 コンデンサC5は、デバイスの自己励起を防ぎます。 抵抗R4、R8-R10-電流制限。 これらは、たとえば抵抗R2が故障したり、トランジスタVT11が故障したりした場合など、緊急時にオペアンプとトランジスタVT3を保護し、他の要素の故障を防ぎます。 電流が減少している充電モードで電源がオフになると、トランジスタ VT1 が閉じ、リレーが接点 K1.1 を開き、コンデンサ C2 のさらなる放電を防ぎます。 HL1 LED が消灯し、停電を知らせます。 電力が回復すると、トランジスタ VT1 が開き、リレー K1 が接点 K1.1 を閉じ、バッテリの充電は中断された時点の電流値から自動的に続行されます。 HL1 LED が再び点灯し、充電が再開されたことを示します。 充電特性を解除する際にSB1ボタンを押すと充電を一時停止できます。 この場合、コンデンサ C4 は、オペアンプの入力へのネットワーク干渉の侵入を防ぎます。 このデバイスはユニバーサル プリント基板上に組み立てられ、310x130x180 mm の寸法のハウジングに収容されます。 単三電池はケース上部のカバーの溝に入れられます。 コンタクトソケットは錫メッキシートテープの形で作られており、単三電池用の標準コンパートメントからのバネによって電池に押し付けられます。 スプリングには電流が流れません。 市販のプラスチック製コンパートメントは 500 mA を超えない電流にのみ適していることに注意してください。 実際には、接点スプリングを流れる電流により接点スプリングが加熱され、バッテリーも加熱されます。 すでに 1 A の電流が流れると、スプリングが非常に加熱してコンパートメントのプラスチック ハウジングの壁を溶かし、それ以上の使用が不可能になります。 VT3 トランジスタは表面積 600 cm2 のリブ付きヒートシンクに取り付けられ、VD2 ダイオードは面積 50 cm2 のプレート ヒートシンクに取り付けられます。 抵抗 R11 は、1 オームの抵抗で並列接続された 1 つの MLT-3 抵抗で構成されます。 すべての大電流接続は、断面積 2 mmXNUMX の銅線で行われ、対応する部品の接続部に直接はんだ付けされます。 K1446UD4A (DA2) オペアンプは、K1446UD1A チップまたはこれらのシリーズの別のものに置き換えることができますが、8 つのオペアンプから、バイアス電圧が低い方を選択する必要があります。 XNUMX 番目のオペアンプは、温度に敏感なブリッジ [XNUMX] の一部として使用でき、DC 充電中にバッテリが過熱した場合にバッテリを緊急シャットダウンできます (電流を減少させて充電する場合、バッテリの過熱は観察されませんでした)。 他のタイプのオペアンプを使用する場合、この設計では電源がユニポーラであるため、両方の入力でゼロ電圧で動作する必要があることに注意してください。 KR1157EN601A (DA1) マイクロ回路は、インデックス B のこのシリーズのスタビライザー、および K1157EN602 シリーズのマイクロ回路で置き換えることができますが、後者の「ピン配置」は異なります [9]。 トランジスタ VT1 - KP501、VT2 シリーズのいずれも、ベース h21E の静電流伝達係数が少なくとも 100 である必要があります。トランジスタ KT853B (VT3) は、h21E が 1000 を超える点で異なります。他のタイプのトランジスタを VT2 として使用できます。 VT3 ですが、全体のゲイン電流は 100 を超える必要があります。 充電時定数 T2 を設定するコンデンサ C0 は安定した静電容量を持たなければなりませんが、T0 の必要な値は抵抗 R5 の選択を調整するときに設定されるため、図に示されている公称値と必ずしも同じである必要はありません。 筆者は電圧マージンが大きい（25倍）Jamicon酸化物コンデンサを使用しました。 リレー K1 - ECE のリード スイッチ EDR2H1A0500、動作電圧と電流はそれぞれ 5 V と 10 mA。 代替品として考えられるのは、国産リレー KUTs-1 (パスポート RA4.362.900) です。 PA1 電流計は、最大充電電流に合わせて設計する必要があります (著者のバージョンでは、電流 ZA に M4200 デバイスが使用されました)。 ヒューズ FU1 は、BOURNS の自己リセット型 MF-R300 です [10]。 デバイスのセットアップは、式 (0) で選択される充電時定数 T3 の必要な値を設定するだけで済みます。 コンデンサ C5 の静電容量が正確に 7 μF であると仮定すると、抵抗器 R2 の抵抗値は式 (1000) に従って Rin に等しくなるように選択されます。 電池の代わりにデジタル電流計が付属しています。 電源を入れる前に、電池を充電するときとデバイスをセットアップするときの両方で、可変抵抗器 R3 スライダーを下側の位置（図に従って）に移動し、SA1 スイッチの接点を閉じます（これは放電のために必要です）コンデンサC2）。 次に電源を投入し、抵抗R3のスライダを動かして初期電流l0を約1Aに設定します。次にSA1を「減少」位置に移行します。 時間 T1 (ほぼ T0 に等しい) の後、電流 i1 が測定されます。 抵抗器 R5* の補正後の抵抗値は、式 R5* = R5[ln(l0/I1)] によって計算されます。 最後に、この補正値に等しい抵抗値の抵抗器 R5 が取り付けられます。 バッテリーは、過充電とメモリー効果の発現を防ぐために、充電前に 1 ～ 1,1 V の電圧まで放電する必要があります [2]。 放電中にバッテリーが熱くなった場合は、充電する前に周囲温度 (0...+30 °С [2]) まで冷却する必要があります。 バッテリーを充電器に接続する前に、充電器の電源がオフになっていること、抵抗器 R3 のスライダーが (図に従って) 下の位置にあり、SA1 が「定数」位置にあることを確認する必要があります。 さらに、極性に注意して電池を装着し、電源を投入し、可変抵抗器 R3 を使って初期電流 l0 を式 (3) に従って設定します。 その後、SA1 が「減少」位置に移行し、XNUMX 時間後に電池が使用できる状態になります。 デバイスに電力を供給するには、不安定になる可能性がある 8 ～ 24 V の電圧源が必要です。 同時に 2 ～ 4 個のセルを充電できます。 リップルを考慮した最小供給電圧は、セルあたり XNUMX V に XNUMX V を加えた値 (ただし、指定された制限内) である必要があります。 充電だけでなく、電池の放電特性を把握するためのスタンドとしても使用できます。 後者の場合、テスト対象のバッテリーは逆極性でデバイスに接続する必要があります。 その電極の電圧は、電圧計で常に監視する必要があります。 バッテリーの緊急破壊を引き起こさないように、極性を変えてはいけません。 このため、最小容量のセルの故障の瞬間を逃す可能性があるため、この方法で複数の直列接続されたセルのバッテリーを放電することはお勧めしません。 文学
著者：M。Evsikov、モスクワ
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