Эксплуатация герметичных Ni-Cd аккумуляторов

А. Межлумяи, г. Москва
Журнал Радио. 2002 №11

Сегодня мы предлагаем нашим читателям познакомиться с точкой зрения автора на проблему эксплуатации герметичных Ni-Cd аккумуляторов. И хотя его позиция не во всем совпадает с мнением редакции, мы сочли возможным опубликовать эту статью.

Широкое распространение герметичных Ni-Cd (дисковых и цилиндрических) аккумуляторов обусловило и большой интерес к вопросам их эксплуатации, методам и устройствам для их зарядки. На эти темы было опубликовано немало статей, в том числе и в журнале «Радио». В последние годы, в связи с появлением новой бытовой техники, работающей от аккумуляторных батарей (АБ), интерес к этой теме значительно возрос.

Однако статей, посвященных эксплуатации аккумуляторов, не так много. Причина такого положения вполне объективна: проведение исследований по эксплуатации АБ — занятие весьма длительное и трудоемкое. И в полном объеме оно непосильно для радиолюбителей.

Это, конечно же, не означает, что радиолюбителям не следует заниматься подобного рода работами — просто к полученным результатам следует относиться критически и не делать обобщений на основе единичных результатов.

Характерный пример — широко известный метод зарядки аккумуляторов асимметричным током [1, 2]. О его достоинствах всем было хорошо известно, неясным оставался лишь один пустяк — откуда он вообще взялся, что явилось первоисточником. Но такая «мелочь» явно никого не смущала, поскольку после двух-трех публикаций, основанных на этом методе зарядных устройств, можно было смело писать: «…как хорошо известно, зарядка аккумуляторов асимметричным током позволяет…» и далее по тексту.

Еще один пример — метод Вудбриджа, на который так часто ссылаются. Он был разработан в те годы, когда для потребностей развивающейся автомобильной промышленности начался массовый выпуск аккумуляторов и вопросы их эксплуатации стали настолько актуальными, что потребовали привлечения науки. Эта методика была создана для конкретных (кислотных) аккумуляторов, и обоснования для расширения области ее применения неизвестны. Другими словами, применение этой методики для других аккумуляторов ничем не обосновано.

В итоге ситуация сегодня стала настолько запутанной, что разобраться в ней стало просто нереально. Это подтверждают и добросовестно проведенные некоторыми авторами обзоры по теме и попытки получить на его основе практические выводы — авторы даже не замечают противоречий в источниках, на которые они ссылаются. Гораздо реже встречаются действительно серьезные издания, к числу которых можно отнести [3].

В статье поставлена более скромная, а потому и вполне реальная задача — изложить накопленный автором опыт по этой теме. Еще раз напомним, что статья посвящена только герметичным Ni-Cd аккумуляторам отечественного производства, поэтому при применении всех ее положений к другим аккумуляторам следует проявлять критичность и осторожность.

Основная характеристика электрических аккумуляторов — количество запасенной в них энергии, для измерения которой обычно применяют внесистемную единицу измерения — кВт-ч или кратные ей значения.

На практике удобнее пользоваться другой характеристикой аккумуляторов —запасенным в них зарядом. Ее обычно называют емкостью. В системе СИ заряд измеряют в кулонах (1 Кл = 1А х 1 с), но чаще пользуются также внесистемной единицей измерения — А-ч, а для аккумуляторов небольшой емкости — мА-ч. К этому параметру настолько привыкли, что зачастую забывают (или вообще не знают), что основным показателем аккумулятора является все же количество запасенной энергии, а не емкость.

Связь между энергией Е аккумулятора и емкостью С определяется простейшей формулой: Е = С x Ucp, где Ucp — среднее напряжение аккумулятора. Это выражение обеспечивает достаточную для практики точность. Более точно энергию вычисляют через интеграл.

Номинальной емкостью называют типовое значение, приводимое в характеристиках аккумуляторов. Она, в первую очередь, определяется конструкцией аккумулятора и технологией изготовления. Именно последняя причина (точнее, технологический разброс при изготовлении) приводит к тому, что емкость аккумуляторов, даже в одной партии выпуска, имеет разброс, доходящий до двух и более раз. В литературе иногда указывают, что АБ собирают из близких по емкости аккумуляторов, но в условиях массового производства это, конечно, просто нереально.

В СССР номинальная емкость нередко определялась по принципу «меньше меньшего», что обеспечило запас, позволивший со временем «увеличивать» емкость АБ 7Д-0,1 и других аккумуляторов просто изменением цифр на этикетке. Сейчас 7Д-0,1 превратились в 7Д-0,125. Важно отметить, что емкость — величина многофакторная, поскольку даже для конкретного экземпляра она зависит от целого ряда параметров: температуры окружающей среды, режимов зарядки и разрядки и т. п. Поэтому, когда речь идет о емко- сти аккумулятора, обязательно должна приводится методика ее определения, поскольку только лишь изменением методики несложно «изменить» емкость в несколько раз. Но обычно именно методика и не приводится.

В процессе эксплуатации напряжение аккумулятора уменьшается от максимального до минимального. Минимальным называют напряжение, при котором оставшаяся энергия (заряд) аккумулятора незначительна и дальнейшая эксплуатация нецелесообразна, поскольку при этом еще и резко снижается напряжение (при полной разрядке оно равно нулю). Для Ni-Cd аккумуляторов минимальное напряжение составляет около 1 В, и это значение — четкий критерий завершения разрядки. Таким образом, рабочей областью для аккумулятора является интервал напряжений от максимального до минимального. В рабочей области остаток энергии (заряда) ориентировочно можно определить по напряжению на аккумуляторе.

Номинальным называют напряжение, среднее между максимальным и минимальным; именно его обычно и приводят в справочных данных на аккумулятор. Для Ni-Cd аккумуляторов это напряжение составляет примерно 1,2 В.

Номинальное напряжение аккумулятора, как и любого другого гальванического элемента, определяется только его электрохимической системой, т. е. гальванической парой и электролитом. Изменить это значение конструктивно или технологически невозможно.

По окончании зарядки и отключении зарядного устройства напряжение аккумулятора (UM3) максимально и составляет приблизительно 1,43…1,45 В. Оно быстро снижается и через 10…25 мин достигает стабильного значения UMp, равного 1,37…1,39 В. Разброс этих значений в основном обусловлен погрешностью измерений, но большая точность и не требуется.

Основная проблема эксплуатации аккумуляторов связана с их зарядкой и обусловлена отсутствием надежного критерия ее окончания. Использование для этого напряжения на аккумуляторе малоэффективно, поскольку оно может быть достигнуто еще до полной зарядки. Этот критерий часто применялся в любительских конструкциях. В последних публикациях указывают, что одного критерия недостаточно, нужны дополнительные, и в качестве одного из них предлагают измерение температуры аккумулятора. Температура — важный параметр, поскольку она позволяет определить, куда «уходит» электроэнергия — на зарядку или на нагрев, т. е. позволяет определить состояние аккумулятора, но отнюдь не степень его заряженности. К этому еще можно добавить, что при прочих равных условиях в большой степени будет проявляться влияние температуры окружающей среды.

Из изложенного можно сделать не слишком утешительный вывод — сегодня надежных критериев окончания зарядки не существует. Точнее, один такой критерий все же имеется, и о нем будет сказано ниже, но при всей его внешней простоте реализация его весьма проблематична.

Отсутствие надежных критериев окончания зарядки, безусловно, огорчительно, поскольку не позволяет обеспечить полный заряд аккумулятора. Но ведь аккумуляторы десятки лет успешно эксплуатировались. И первый вопрос, который возникает, — а насколько реально необходим, действительно, полный заряд? В реальных условиях разница в емкости до 15 % практически неощутима, а это значительно меньше разброса по емкости у разных экземпляров.

Конструкция герметичных аккумуляторов выполнена так, что герметизация обеспечивается давлением газов внутри корпуса. При зарядке это давление возрастает, и если оно достигнет предела текучести материала корпуса, аккумулятор вздувается. При этом нарушаются контакты, что приводит к полному выходу аккумулятора из строя. Для дисковых аккумуляторов иногда возможно восстановление работоспособности — их надо сжать в тисках (через изолирующую прокладку) до прежних размеров. В более тяжелых случаях аккумуляторы вскрываются (тихий взрыв), и восстановить их невозможно. Давление газов может служить надежным критерием окончания зарядки, во всяком случае, оно позволяет определить границу, за которой дальнейшая зарядка становится опасной. Но практическая реализация этого способа проблематична даже для аккумуляторов большой емкости, а для малой — просто нереальна.

В процессе разрядки давление падает, и при напряжении ниже минимального оно может снизиться до уровня, который не обеспечивает герметичность, что приведет к вытеканию электролита. Помимо прочих неприятностей, вытекший электролит шунтирует электроды аккумулятора, после чего из-за поверхностных утечек увеличивается ток саморазрядки. Длительное хранение разряженного аккумулятора выводит его из строя.

Известно, что аккумуляторы, долго не работавшие, теряют емкость и работоспособность. Восстановить их можно за несколько циклов зарядки—разрядки. При этом не имеет значения, как именно это сделать — «оживление» произойдет в любом случае.

С течением времени происходят естественные процессы старения и характеристики аккумуляторов ухудшаются. Срок службы аккумуляторов обычно 3…5 лет, но при нормальной эксплуатации они надежно работают по 10 и более лет.

На практике наиболее распространен так называемый стандартный режим зарядки — в аккумулятор «закачивают» 150 % номинальной емкости, заряжая его в течение 15 ч током 0,1 С.

КПД аккумуляторов, т. е. отношение отдаваемой энергии к полученной, по ряду причин определить весьма сложно, поэтому этот показатель обычно не приводится. Для небольших аккумуляторов он вообще несущественен, поскольку потери в зарядном устройстве заведомо больше. Сугубо ориентировочно его можно определить исходя из приведенного выше стандартного режима зарядки — 0,65 (65 %).

Стандартный режим прекрасно себя зарекомендовал на практике, и именно его можно считать эталонным. Реализующее его зарядное устройство может быть предельно простым и содержать выпрямительный диод и гасящий резистор. Достоинством метода является и то, что он способен заряжать даже «полуживые» аккумуляторы. Вместе с тем он имеет и два существенных недостатка: длительное время зарядки и опасность перезарядки. Правда, последнее связано уже не со способом, а с человеком — зачастую просто забывают вовремя отключить зарядное устройство.

У этого способа есть только один неясный момент — откуда взялась эта 0,1С? Четкого ответа нет, и за давностью лет его вряд ли возможно получить, поэтому остается лишь предположить, что такой режим был выбран просто из компромиссных соображений. При меньшем зарядном токе недопустимо возрастало время зарядки (при 0.05С — 30 часов), а при большем необходимо было увеличить мощность зарядного устройства и, соответственно, его габариты, вес и цену. Проведенные автором эксперименты с АБ 7Д… показали, что зарядка током, равным емкости аккумулятора, не приводит к его повреждению.

Весьма интересным и перспективным является метод зарядки аккумуляторов от источника стабильного напряжения. Для определенности назовем его зарядкой стабильным напряжением (ЗСН).

Полностью исключить перезарядку возможно, применяя метод ЗСН, равным максимальному напряжению аккумулятора. Правда, не совсем ясно, каким именно должно быть это напряжение: UM3 или UMp,и для страховки лучше принять меньшее из них — UMp. В начале зарядки ток максимальный, через короткое время в большинстве случаев он еще немного возрастает (видимо, снижается внутреннее сопротивление аккумулятора). Затем, по мере зарядки аккумулятора и увеличения его напряжения, ток уменьшается и в конце зарядки асимптотически подходит к нулю, точнее — к току саморазрядки аккумулятора. При зарядке полностью разряженного аккумулятора начальный бросок тока может быть недопустимо большим и его следует ограничить, например, включением в зарядную цепь токоограничивающего резистора.

Основной недостаток этого метода — он обеспечивает заряд в 60…70 % от номинальной емкости. Поэтому применять его целесообразно для аккумуляторов резервного питания, например, в электронных часах. Некоторое снижение емкости аккумулятора для таких устройств не имеет существенного значения, гораздо важнее обеспечить длительную и надежную его работу. Этот способ целесообразно применять и тогда, когда требуется за 15…20 мин привести аккумулятор в рабочее состояние.

Причина, по которой такой режим не обеспечивает полной зарядки аккумуляторов, вполне очевидна — необходимо увеличение напряжения питания. При этом зарядный ток асимптотически стремится не к нулю, а к некоторому минимальному значению. Эта, по существу, стабилизация зарядного тока и может служить критерием окончания зарядки. Есть и другой, более надежный и простой в реализации критерий — снижение зарядного тока до значения, близкого к минимальному. Для практической реализации предложенного метода необходимо экспериментально подобрать режим зарядки для конкретного аккумулятора: определить зарядное напряжение и ток окончания зарядки.

Схема автоматического зарядного устройства (ЗУ) показана на рис. 1. Оно позволяет заряжать АБ с любой степенью разрядки, в том числе и полностью разряженные. Номинальное время зарядки АБ 7Д-0.125, разряженных до 1 В на аккумулятор, составляет примерно 1,5 ч. Для АБ с меньшей степенью разряженности оно соответственно сокращается. Емкость, до которой можнозарядить батарею, примерно равна 0,85…0,95 от номинальной. Она зависит от состояния АБ и от точности установки тока, при котором отключается устройство.

Работать с ЗУ предельно просто — после подключения блока питания и заряжаемой АБ кратковременно нажимают на кнопку SB1. При этом включается сигнальный светодиод HL1 и начинается зарядка. Когда АБ зарядится, устройство автоматически выключится, что полностью исключает опасность перезарядки, а сигнальный светодиод погаснет.

Основа ЗУ — стабилизатор напряжения DA1. Точное значение выходного напряжения устанавливают подстроечным рези стором R9. Диод VD1 предотвращает разрядку АБ после выключения ЗУ. Для снижения потерь применен диод Шотки, имеющий меньшее, по сравнению с обычными кремниевыми диодами, падение напряжения. К выходу ЗУ через токоограничивающии резистор R10 подключен индикатор — светодиод HL1. Конденсатор С2 сглаживает пульсации нестабилизированного источника питания на входе стабилизатора, а также предотвращает его самовозбуждение.

Узел выключения — триггер, собранный на транзисторах VT1 и VT2 разной структуры. В исходном состоянии, после подключения источника питания и заряжаемой АБ, триггер выключен. Для его включения достаточно кратковременно нажать на кнопку SB1. При этом открывается транзистор VT1 и его коллекторный ток через резистор R2 открывает транзистор VT2 — ЗУ начинает работать. Протекающий через устройство ток создает падение напряжения на резисторе R5, которое через резистор R6 и резистивный делитель напряжения R3R4 подается на базу транзистора VT1. Триггер включается, а устройство продолжает работать и после отпускания кнопки SB1.

«По совместительству» резистор R5 выполняет функцию ограничителя максимального тока в начале зарядки полностью разряженных АБ. В процессе зарядки напряжение на батарее возрастает, что приводит к уменьшению зарядного тока, и при достижении им установленного минимального значения падение напряжения на резисторе R5 становится недостаточным для удержания триггера во включенном состоянии — ЗУ отключается и зарядка прекращается. Точное значение минимального тока устанавливают подстроечным резистором R4. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения на резисторе R5, появляющиеся, когда ЗУ питают от нестабилизированного источника питания.

В авторском варианте для питания ЗУ применен нестабилизированный источник отечественного производства БПН-12-1 с выходным напряжением холостого хода 18 В. Возможно применение и других блоков питания, в том числе и стабилизированных, с выходным напряжением около 15 В (для стабилизированных БП оно может быть несколько меньше) при токе не менее 0,2 А.

Устройство смонтировано на печатной плате, выполненной из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж печатной платы показан на рис. 2.

В устройстве использованы подст-роечные резисторы СПЗ-19а. Резистор R5 — МЛТ-0,5 или МТ-0,5, R2 — МЛТ-0,25 или МТ-0,25; они установлены перпендикулярно плате. Остальные постоянные резисторы — безвыводные для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Их устанавливают со стороны печатных проводников. Конденсаторы — К50-35 или аналогичные импортные. На месте диода VD1 можно применить любой диод Шотки с допустимым током не менее 1 А. Светодиод — любой. Кнопка SB1 — любая без фиксации. Разъем для подключения блока питания также может быть любым — главное, он должен соответствовать разъему блока питания.

Для налаживания потребуется проволочный переменный резистор сопротивлением 560 Ом и мощностью 1 Вт.Его подключают к выходу ЗУ и постепенно уменьшают сопротивление до надежного удержания триггера после отпускания кнопки SB1. Подстроенным резистором R9 устанавливают выходное напряжение (его измеряют непосредственно на выходе стабилизатора) равным 10,9 В.

Несколько сложнее установить ток выключения. Поскольку шунт миллиамперметра вносит большую погрешность при измерении зарядного тока, подключать миллиамперметр следует на входе устройства. И хотя в этом случае к собственно току зарядки добавляется и ток, потребляемый самим ЗУ, результат получается более точным. Для этого измеряют ток на входе ЗУ при среднем положении движка подстроечного резистора R4, а затем устанавливают его равным примерно 43 мА. Эти операции придется выполнить несколько раз до получения нужного результата, поскольку «поймать» ток выключения за один раз невозможно.

Более точную подстройку можно выполнить при непосредственной работе с АБ, проведя несколько контрольных циклов зарядки—разрядки.

ЛИТЕРАТУРА
1. Захарченко В. Зарядное устройство. — Радио, 1975, № 4, с. 64.
2. Газизов М. Автоматическое устройство для зарядки и восстановления аккумуляторных батарей. Сб.: «В помощь радиолюбителю», вып. 94. — М.: ДОСААФ, 1986.
3. Теньков В. В., Центер Б. И. Основы теории и эксплуатации герметичных никелькадмиевых аккумуляторов. — Л.: Энергоатом-издат, 1985.

От редакции. Стабилизатор КР142ЕН22 допустимо заменить на КР142ЕН12А или КР142ЕН12Б. Напряжение питания зарядного устройства при этом следует увеличить до 16…17 В.