Автоматическое зарядное устройство (часть 2)

Чертёж печатной платы блока A3 и расположение элементов на ней изображены на рис. 10. Транзистор A3.VT3 находится на игольчатом теплоотводе размерами 100x100 мм. Площадь его теплоотводящей поверхности около 400 см². Расположен он рядом с платой в потоке воздуха, втягиваемом вентилятором 2. Резисторы A3.R8- A3.R17 - типоразмера 2515 для поверхностного монтажа, остальные - аналогичные типоразмера 1206.

Рис. 10. Чертёж печатной платы блока A3 и расположение элементов на ней

Зарядное устройство собрано в стандартном корпусе Gainta G717. Его общий вид показан на рис. 11. В передней панели корпуса сделаны отверстия для экрана ЖКИ A2.HG1 и толкателей кнопок A2.SB1-A2.SB4. Там же установлены зажимы для подключения аккумуляторной батареи и разъём для выносного датчика температуры этой батареи. Размещение узлов и блоков внутри корпуса видно на рис. 12. Сетевой разъём и держатель плавкой вставки FU1 находятся в центре задней стенки корпуса зарядного устройства. Справа от них (по рис. 12) установлен вентилятор 1, а слева - вентилятор 2. Их тип - EC6010H12B.

Рис. 11. Общий вид зарядного устройства, собраного в стандартном корпусе Gainta G717

Рис. 12. Размещение узлов и блоков внутри корпуса

Включение и налаживание. Собирая блок А1, место для установки терморезистора A1.RK1 на его плате следует оставить свободным. После сборки и проверки монтажа присоедините кабельную розетку A2.XS2 к вилке А1 .XP1. Затем подключите блок A1 к сети и проверьте напряжение на выводе 1 интегрального стабилизатора A1.DA2 (+8...11 В) и на его выводе 3 (+5 В ±10%). Если напряжения в норме, то разъём A2.XP1 подключите к программатору и загрузите коды из приложенного к статье файла Zar_XM EGA- 512.hex в микроконтроллер A2.DD1. Конфигурацию микроконтроллера установите в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

После программирования на экране ЖКИ должно появиться меню выбора типа заряжаемой аккумуляторной батареи. Нужный пункт меню выделяют нажатиями на кнопку A2.SB3 "+" или A2.SB2 "-". Нажав на кнопку A2.SB4 "ОК", выбирают выделенный пункт.

Далее проверьте работу основного источника питания. Для этого зарядное устройство отключите от сети, вместо терморезистора A1.RK1 подключите лампу накаливания на 230 В мощностью 40...60 Вт. Нагрузку к выходу источника не подключайте. При включении зарядного устройства в сеть лампа должна вспыхнуть и погаснуть. Постоянное свечение лампы свидетельствует об ошибках монтажа или имеющихся в устройстве неисправных элементах.

Если проверка прошла успешно, то отключите зарядное устройство от сети, установите терморезистор A1.RK1 на своё место, отключив лампу накаливания, и проверьте работу основного источника под нагрузкой.

Для этого к выходным зажимам зарядного устройства подключите, например, автомобильную лампу накаливания на 12 В, 20 Вт. Затем зарядное устройство включите в сеть и переведите в режим источника питания. После выбора этого режима источник должен включиться, и на его выходе появиться начальное напряжение 5 В.

Точная установка выходного напряжения занимает значительное (до 1...2 с) время, что обусловлено наличием в выходной цепи источника конденсаторов большой ёмкости. Пока напряжение не соответствует заданному, его значение выводится на индикатор шрифтом размерами 8x8 пкс (рис. 13,а). Размеры шрифта увеличиваются до 16x16 пкс (рис. 13,б) после того, как программа стабилизации установит заданное значение напряжения с точностью ±0,1 В.

Рис. 13. Размеры шрифта на индикаторе в зависимости соответствия заданного значения напряжения

Нажимая на кнопку A2.SB3 "+" или A2.SB2 "-", проверьте изменение выходного напряжения в пределах от 5 до 14 В. Но если нагрузкой служит автомобильная лампа, поднимать напряжение выше 12,5 В не следует, лампа может сгореть.

Далее проверьте и при необходимости скорректируйте погрешность измерения напряжения с помощью АЦП микроконтроллера. Согласно схеме блока A2 (см. рис. 6), измеряемое напряжение поступает на АЦП через резистивный делитель A2.R5, A2.R6. Коэффициент передачи напряжения этим делителем равен

K_U = A2.R6/(A2.R5 + A2.R6)

поэтому при измерении напряжения U_изм напряжение на входе АЦП будет равно

U_АЦП = U_изм / K_U

Сопротивление резисторов A2.R5 и A2.R6, как и других, применённых в устройстве, может отклоняться от номинала на ±5 %. Чтобы скомпенсировать это отклонение, программа умножает результат работы АЦП на константу K_u, значение которой задают с учётом фактических значений сопротивления резисторов. В авторском варианте оно равно 19,272.

Для проверки измерьте образцовым вольтметром точное значение выходного напряжения после того, как оно будет установлено системой стабилизации (отображено крупным шрифтом), и сравните его с выведенным на экран ЖКИ. Следует заметить, что выходное напряжение источника постоянно меняется в интервале примерно ±0,05 В, поэтому следует брать его усреднённое значение. Если разница показаний вольтметра и ЖКИ превышает 0,1 В, необходимо изменить соответствующим образом значение константы в строке программы и, повторно транслировав программу, загрузить её новый вариант в микроконтроллер.

Алгоритм зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют весьма существенный температурный коэффициент напряжения. Он равен примерно -4 мВ/^оС на один аккумулятор (элемент аккумуляторной батареи). Для батареи из шести последовательно соединённых аккумуляторов (общее напряжение - около 12 В), этот коэффициент равен -24 мВ/^оС.

Следовательно, напряжение на выводах такой батарея существенно зависит от её температуры - на каждые 10 ^оС температуры напряжение на выводах батареи изменяется на 0,24 В. При охлаждении батареи оно увеличивается, а при нагревании - уменьшается.

Этим объясняется наблюдаемый многими автолюбителями эффект хронической недозарядки аккумуляторной батареи в зимнее время в ходе её эксплуатации наавтомобиле, особенно при непродолжительных поездках. Причина в том, что регулятор напряжения генератора современного автомобиля обычно установлен на корпусе генератора, который быстро нагревается после пускадвигателя, ааккумуляторная батарея располагается вдали от источников тепла и, вдобавок, довольно массивна, поэтому прогревается очень медленно. В результате напряжение генератора оказывается недостаточным для создания требуемого тока зарядки батареи.

Для полноценной зарядки аккумуляторной батареи зарядное устройство (а автоматическое - особенно) должно отслеживать её температуру, так как в процессе зарядки батарея нагревается. В описываемом устройстве температура батареи контролируется на всех этапах зарядки, для чего в нём имеется датчик температуры. По результатам измерения температуры автоматически производится необходимая коррекция режима зарядки. Впрочем, зарядное устройство может работать и без подключения датчика температуры. В этом случае температура батареи считается постоянной и равной 20 ^оС. Качество зарядки в этом случае не гарантируется.

В начале работы программа предлагает подключить аккумуляторную батарею к зажимам зарядного устройства, установить на её корпусе датчик температуры и ввести значение ёмкости батареи, кратное 5 А·ч. После этого измеряется температура батареи. Если она не лежит в интервале -15...+40^оС, то зарядку производить нельзя, программа останавливается.

Если измеренная температура находится в допустимых пределах, то программа анализирует состояние батареи, измерив два её параметра: ЭДС и внутреннее сопротивление. Значение ЭДС батареи свидетельствует о степени её заряженности, как показано в табл. 2 [2]. Внутреннее сопротивление батареи существенно зависит как от степени заряженности, так и от степени сульфатации её пластин. Чем ниже заряженность и чем больше сульфатация, тем больше внутреннее сопротивление.

Таблица 2.

Если замерить ЭДС батареи несложно, то измерение её внутреннего сопротивления - непростая задача. Дело в том, что оно весьма мало - около 0,007 Ом у исправной полностью заряженной батареи ёмкостью 50...60 А·ч [2]. Закона, по которому изменяется внутреннее сопротивление батареи в зависимости от её состояния, автору обнаружить в литературе не удалось, поэтому пришлось вывести приближённую зависимость самостоятельно.

В [3] отмечено, что при нагрузке автомобильной аккумуляторной батареи стартёрным током напряжение на её выводах не должно падать ниже 9,5 В. Следовательно, предельное значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении равно 12,7 - 9,5 = 3,2 В, в противном случае состояние батареи должно быть оценено как неудовлетворительное.

Значение стартёрного тока для батареи ёмкостью 50...60 А·ч лежит в пределах 140...160 А (в среднем 150 А). Исходя из этого, можно считать, что максимально допустимое внутреннее сопротивление такой батареи R_{I max}= 3,2 В/150 А = 0,021 Ом.

Исходя из собственного предположения, что внутреннее сопротивление зависит от состояния аккумуляторной батареи линейно, автор реализовал в программе его оценку по табл. 3. Программа находит разность между ЭДС батареи и напряжением на её зажимах при нагрузке током 10 А и на основании этого рассчитывает значение внутреннего сопротивления.

Таблица 3

Следует отметить, что внутреннее сопротивление батареи измеряется прибором весьма приблизительно ввиду малости измеряемых величин и существенного влияния на результат сопротивления подводящих проводов и особенно контактов. Доверять выводам программы о состоянии батареи можно при её ёмкости не более 60 А·ч. У батарей большей ёмкости внутреннее сопротивление ниже, и результаты его измерения уходят за черту достоверности.

Проанализировав степень заряженности и состояние аккумуляторной батареи, программа предлагает зарядить её в оптимальном (по её мнению) режиме. Но это предложение - не догма. Имеется возможность выбрать режим по своему усмотрению.

Всего предусмотрено четыре режима зарядки:

- нормальный;

- асимметричным током 1;

- асимметричным током 2;

- контрольно-тренировочный циклический.

В нормальном режиме на первом этапе батарея заряжается стабильным током 0,1·С. Поскольку по мере зарядки её ЭДС растёт, для поддержания зарядного тока неизменным программа постепенно увеличивает напряжение, подаваемое на выводы батареи. Этот этап продолжается до тех пор, пока зарядное напряжение не увеличится до 14,4 В.

После этого начинается второй этап - зарядка батареи при неизменном, равном 14,4 В, зарядном напряжении. Теперь зарядный ток постепенно падает. Критерий завершения зарядки - уменьшение зарядного тока до 0,01·С либо (как альтернатива) постоянство его значения в течение часа.

Зарядка асимметричным током состоит из таких же этапов. Различие в том, что на первом этапе зарядка чередуется с разрядкой (отсюда название - "асимметричный ток"). Это позволяет устранить сульфатацию пластин аккумуляторов.

Разница между двумя режимами асимметричного тока состоит лишь в том, что доля времени разрядки в общей продолжительности первого этапа различна. Она составляет 25 % в режиме асимметричного тока 1 и 33 % в режиме асимметричного тока 2. Режим асимметричного тока 2 следует использовать при сильной сульфатации пластин аккумулятора.

Контрольно-тренировочная циклическая зарядка-разрядка применяется для восстановления батарей, находящихся в плохом состоянии (частичная потеря ёмкости, существенная сульфатация пластин и, как следствие, высокое внутреннее сопротивление). Зарядить такие батареи в ранее рассмотренных режимах, как правило, невозможно. Суть тренировки состоит в неоднократном повторении циклов "зарядка - полная разрядка" аккумуляторной батареи. Она позволяет частично восстановить её свойства [2].

Батарею заряжают током 0,05·С ввиду того, что зарядка малым током благоприятна для восстановления её свойств. Зарядка производится асимметричным током, только параметры его иные: 5 мин - зарядка, 1 мин - разрядка. Отображение текущей операции на индикаторе такое же, как в режиме асимметричного тока.

После того как зарядное напряжение поднимется до 14,4 В, устройство переключается в режим разрядки батареи до напряжения 11,9 В тем же током (0,05·С). При этом программа фиксирует отданное АКБ количество электричества и по окончании разрядки подсчитывает её ёмкость в выполненном цикле.

Начиная со второго цикла, программа вычисляет прирост ёмкости по сравнению с предыдущим циклом. Если он более 5 %, принимается решение о выполнении следующего цикла. Но если прирост ёмкости менее 5 % (батарея восстанавливается слишком медленно), дальнейшие действия зависят от абсолютного значения достигнутой ёмкости:

- если она более 80 % номинальной, программа считает батарею восстановленной, прекращает контрольнотренировочный цикл и выполняет полную зарядку батареи в режиме асимметричного тока 2;

- если она не превышает 30 % номинальной, программа считает такую батарею неисправной и прекращает работу;

- если она находится в интервале 30...80 % номинальной, программа сообщает, что тренировка малоэффективна и предлагает пользователю принять окончательное решение: либо считать батарею неисправной, либо зарядить её и использовать с достигнутой ёмкостью. В последнем случае окончательная зарядка будет также выполнена в режиме асимметричного тока 2.

Столь сложная логика принятия решения продиктована тем, что тренировка - очень длительный процесс. Одно повторение цикла может длиться более суток. Поэтому в сложных случаях окончательное решение целесообразно принимать человеку.

Алгоритм зарядки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Из многообразия методов зарядки таких батарей выбран скоростной метод [1], обеспечивающий быструю, менее чем за час, зарядку. Алгоритм построен на основе анализа зарядной кривой никель-кадмиевой батареи, показанной на рис. 14. Из неё следует, что по достижении полной заряженности ЭДС батареи (E) начинает уменьшаться, а температура батареи (T) - быстро растёт. В этот момент зарядка должна быть прекращена, в противном случае начнётся "тепловой разгон" батареи, так как она больше не принимает заряд, а энергия зарядного тока полностью превращается в тепло.

Рис. 14. Зарядная кривая никель-кадмиевой батареи

Критическими значениями, свидетельствующими о достижении состояния полной заряженности, принято считать спад ЭДС на 15 мВ на элемент или 0,15 В на батарею напряжением 12 В и скорость роста температуры более 1 ^оС/мин. Но следует учитывать, что в течение первых пяти минут после начала зарядки на кривой зарядки наблюдается ещё один участок спада ЭДС. Он обусловлен особенностью протекания электрохимических процессов в батарее во время её "прогрева" зарядным током.

Весьма неприятная особенность никель-кадмиевых аккумуляторных батарей - наличие у них эффекта памяти. Его суть в том, что батарея "запоминает", какое количество электричества она получила при последней зарядке и при следующей примет его не больше. Чтобы избежать этого, нельзя допускать неполной зарядки батареи, а перед хранением нужно полностью её разряжать.

После старта программа попросит подключить батарею к зарядному устройству и указать её ёмкость с точностью до 0,1 А·ч, после чего предложит выбрать либо зарядку батарея, либо её разрядку.

Режим разрядки позволяет полностью разрядить батарею перед хранением, чтобы избежать в дальнейшем отрицательных последствий, связанных с эффектом памяти. В ходе разрядки программа подсчитает отданное батареей количество электричества и по окончании разрядки выведет результат на ЖКИ. Это даёт возможность оценить состояние батареи.

Работа программы зарядки начинается с измерения ЭДС батареи. У полностью разряженной она равна 10 В. При ЭДС менее 10 В производится инициализация батареи зарядным током 0,3·С в течение минуты. Если батарея была разряжена не полностью, то производится её разрядка. В последнем случае инициализация перед зарядкой не производится.

Далее в течение шести минут зарядный ток нарастает до номинального значения, равного 1,5·С, после чего начинается основной этап зарядки таким током. В его ходе программа ежеминутно контролирует ЭДС аккумуляторной батареи, её температуру, а также количество электричества, принятого батареей. Если в процессе зарядки температура батареи поднимется выше 40 ^оС, то зарядный ток будет снижен до 1·С.

Основные критерии окончания зарядки:

- падение ЭДС на 0,15 В и более за минуту;

- рост температуры батареи на 0,85 ^оС и более за минуту.

Необходимо отметить, что учёт только этих критериев для определения момента окончания зарядки недостаточен. Падение ЭДС невелико и сильно зависит от условий зарядки. При токе зарядки менее 1·С его вообще может не быть. Кроме того, автором отмечено его практическое отсутствие при зарядке батареи, сильно потерявшей ёмкость ввиду неправильной эксплуатации. При подключённом датчике температуры её рост фиксируется надёжно, однако датчик может быть случайно или намеренно отключён.

Поэтому программа использует и дополнительные критерии, не допускающие перезарядки батареи и повышающие безопасность процесса зарядки. Она будет остановлена, если батарее сообщён заряд более 130 % её номинальной ёмкости или если ЭДС батареи превысит 16 В.

Следует иметь в виду, что информация о значениях приращений напряжения (ΔU) и температуры (ΔТ) появляется на ЖКИ через минуту после начала основного этапа зарядки.

Алгоритм зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей. Для таких батарей реализована двухэтапная зарядка. Кривая зарядки, иллюстрирующая процесс, приведена на рис. 15. Первый этап - зарядка при фиксированном токе, равном 1·С. В ходе этого этапа ЭДС батареи растёт, поэтому для поддержания зарядного тока неизменным программа постепенно увеличивает зарядное напряжение.

Рис. 15. Кривая зарядки, иллюстрирующая процесс зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей

Когда оно достигнет 12,1 В, начинается второй этап - зарядка при фиксированном напряжении. В ходе этого этапа программа поддерживает зарядное напряжение равным 12,1 В, а зарядный ток по мере роста заряженности батареи спадает. Критерий завершения зарядки - уменьшение зарядного тока до 0,1·С.

После старта программа предлагает подключить аккумуляторную батарею к зарядному устройству, запрашивает её ёмкость, после чего измеряет её ЭДС. У нормально разряженной батареи ЭДС равна 9 В. Если ЭДС менее 9 В, проводится предварительная зарядка батареи малым током (0,2·С), пока её ЭДС не вырастет до 9 В.

Затем программа начинает основной этап зарядки при фиксированном токе 1·С. Следует заметить, что литий-ионные батареи очень чувствительны к перезарядке, поэтому контроль параметров (зарядного напряжения и температуры батареи) производится с периодом 20 с.

Если температура батареи превысит 50 ^оС, то зарядка прекращается, так как это может быть только следствием неполадок в зарядном устройстве либо неисправности батареи.

По достижении зарядным напряжением 12,1 В программа переходит к второму этапу - зарядке батареи при фиксированном напряжении. Он продолжается, пока зарядный ток не упадёт ниже 0,1·С. Следует отметить, что второй этап занимает много времени, его длительность может превысить продолжительность первого этапа, в течение которого батарея набирает приблизительно 70 % своей ёмкости, а в течение второго - всего 30 %. Иначе говоря, литий-ионная батарея быстро получает основную часть заряда, но долго доза-ряжается.

Так как литий-ионная батарея не имеет эффекта памяти, то остановить процесс зарядки можно в любое время без вреда для неё. Эта особенность часто используется в промышленных зарядных устройствах для аккумуляторных батарей от электроинструмента. Они выполняют только первый этап зарядки. При этом батарея заряжается хоть и не полностью, но зато быстро - за 40...60 мин.

При использовании описываемого зарядного устройства также вполне допустимо при необходимости остановить зарядку вручную по окончании её первого этапа и использовать батарею по назначению, а дозарядить её позже в любое удобное время.

Последнее замечание. Следует иметь в виду, что использовать предлагаемое зарядное устройство в качестве источника питания целесообразно лишь для электродвигателей, источников света и других потребителей, не требующих высокостабильного напряжения. Так как основная цель этого устройства - зарядка аккумуляторных батарей, то никаких особых мер по повышению качества выходного напряжения в нём не предусмотрено. Если необходимо питать от этого источника электронную аппаратуру, следует применять дополнительную фильтрацию, а в необходимых случаях и стабилизацию его выходного напряжения.

Файлы печатных плат в формате Sprint Layout 5.0 и программу микроконтроллера можно скачать здесь.

Литература

2. Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 г.

3. Синькевич В., Кирсанов В. О чём говорят напряжение и ток. - URL: http:// www.zr.ru/content/articles/8398-o_chem_ govorat_naprazhenije_i_tok/ (23/11 /14).

Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.