17.4.1.4 Батареи герметичных щелочных никель-металлогидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов

Номинальное напряжение щелочных аккумуляторов составляет 1,2 В. Для получения более высоких напряжений (до 24 В) используется последовательное соединение отдельных аккумуляторов в батареи. Параллельное соединение аккумуляторов для увеличения разрядного тока и емкости не рекомендуется. Для продолжительной работоспособности батареи необходимо обеспечить идентичность функционирования ее аккумуляторов, так как при последовательном соединении аккумуляторов с заметно различающейся фактической емкостью будет иметь место перезаряд отдельных аккумуляторов с наименьшей емкостью, а также возможно их переполюсование при разряде.

Операция подбора однородных аккумуляторов для батарей и напряжением до 24 В состоит из двух этапов: на первом подбираются аккумуляторы с зарядной емкостью, различающейся не более чем на 5…10 %, а на втором контролируется разрядное напряжение каждого аккумулятора при полном разряде батареи. Разрядное напряжение любого из аккумуляторов батареи должно быть выше 0 В. При напряжениях батареи ниже 12 В обычно подбирают аккумуляторы только по зарядной емкости.

Конструкция батареи должна обеспечивать хороший теплоотвод, и иметь возможность установки защитных приспособлений от перезаряда или перегрева. При сборке аккумуляторов в батареи их соединяют при помощи точечной сварки. Использование пайки для этой цели недопустимо, поскольку локальный перегрев аккумулятора ухудшает его характеристики.

Наиболее распространенные конструкции аккумуляторных батарей цилиндрического типа показаны на рис.17.23. Обычно плюсовый вывод батареи выполняется проводом красного, а отрицательный – черного цвета.

17.4.1.5 Основные методы заряда герметичных щелочных никель-металлогидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов

Для заряда щелочных герметизированных аккумуляторов и батарей используется следующие виды заряда:

• Нормальный или медленный (Slow Charge);

• Быстрый заряд (Quick Charge);

• Скоростной заряд (Fast Charge);

• Струйный заряд – подзаряд аккумуляторной батареи малыми токами для компенсации саморазряда.

Основные характеристики и применимость каждого метода представлены в табл.17.9.

Таблица 17.9 Основные методы заряда щелочных аккумуляторов и батарей на их основе

Нормальный заряд с контролем конечного напряжения заряда или времени заряда.

При нормальном заряде зарядное устройство представляет собой источник постоянного тока, в выходную цепь, которого последовательно включено сопротивление, обеспечивающее ограничение тока заряда до необходимой величины.

Временная характеристика нормального режима заряда приведена на рис. 17.24. Окончание заряда определяется либо по времени (обычно 14…16 часов), либо по достижении напряжения заряда равного 1,4…1,55 В на элемент батареи.

Нормальный заряд с отключением по таймеру.

Зарядное устройство, работающее по методу управления временем заряда по таймеру, работает в два этапа: заряд батареи током 0,2С_Н в течении 6 часов, после чего осуществляется переход в режим струйной подзарядки малым током порядка 0,05 С_Н для компенсации саморазряда батареи. Временные характеристики процесса зарядки в этом режиме представлены на рис.17.25.

Использование такого режима позволяет в 2 раза уменьшить время заряда и увеличить срок службы аккумуляторной батареи.

Быстрый заряд.

Вэтом методе быстрый заряд осуществляется достаточно большими токами (около 0,3С_Н) с отключением аккумуляторной батареи после достижения заданного конечного напряжения заряда. После чего осуществляется переключение в режим струйной подзарядки. Для защиты батареи от перегрева и перезаряда используют предохранительные устройства в виде термопредохранителя и таймера. Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он применяется достаточно редко, поскольку возможен как перезаряд, так и недозаряд батареи. Временная характеристика быстрого заряда приведена на рис. 17.26.

Скоростной заряд.

Для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторных батарей наиболее оптимальным является метод скоростного заряда, который не допускает как перезаряда, так и недозаряда батареи и продлевает ее срок службы. В этом методе управление зарядом осуществляется с помощью микроконтроллера, который осуществляет контроль напряжения на батареи и отключает ее при характерном изменении напряжения. Таким характерным изменением называется снижение напряжения в конце заряда на 10…30 мВ на элемент для никель-кадмиевых аккумуляторов, или около 16 мВ на элемент для никель-металлогидридных аккумуляторов (см. рис.17.20). Этот метод контроля получил название отрицательного ΔV-заряда (Negative Delta V).

Принцип скоростного заряда щелочных аккумуляторов показан на рис. 17.27. Процесс заряда начинается с инициирующего заряда током около 0,2С_Н. Особенно он необходим для сильно разряженных батарей. После этого следует этап скоростного заряда. В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения, которое длится несколько минут (автоматика на это снижение напряжения не реагирует). После заряда в течении 5 мин, ток заряда увеличивается до 0,5С_Н. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15…20 мВ на элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С_Н в течение 15 ч., после чего батарея отключается полностью. Предусмотрено также принудительное отключение батареи, если напряжение на батарее превышает 1,95 В на элемент.

Наиболее совершенные зарядные устройства щелочных батарей имеют термодатчик с помощью которого контролируют скорость нарастания температуры батареи (ΔТ). Отключение батареи происходит в том случае, если скорость нарастания температуры составляет более 1⁰/мин. При этом абсолютный порог срабатывания по температуре устанавливается равным 60⁰ С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит интенсивный нагрев батареи (рис.17.27).

Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном методе заряда составляет 91 %, тогда как при медленном – только 71 %. Время заряда при скоростном методе – около 1 часа, тогда как при медленном оно достигает 14…16 часов.

Для никель-металлогидридных аккумуляторов значение инициирующего тока заряда для сильно разряженных батарей составляет 0,2…0,3С_Н в течении 10 мин. до напряжения на одном элементе 0,8 В, после чего проводится скоростной заряд током 0,5…1,0С_Н. Для прекращения заряда по отрицательному перепаду напряжения его величина должна составлять не менее 5…10 мВ на элемент. Для прекращения заряда по увеличению скорости нарастания температуры батареи ее значение должно составлять 1…2 ⁰С/мин. Ток струйной подзарядке составляет 0,05С_Н.