Как заряжать NiMH аккумуляторы правильно

NiMH означает «никель-металлогидрид». Правильная зарядка является ключом к поддержанию производительности и долговечности. Данную технологию нужно знать для того, чтобы заряжать NiMH. Восстановление NiMH-элементов — достаточно сложный процесс, потому что пик напряжения и последующее падение меньше, а следовательно, показатели определяются сложнее. Чрезмерная зарядка приводит к перегреву и повреждению элемента, после чего теряется емкость с последующей утратой функциональности.

Устройство и принцип работы

Батарея — электрохимическое устройство, в котором электрическая энергия преобразуется и сохраняется в химической форме. Химическая энергия легко преобразуется в электрическую. NiMH работает по принципу, основанному на поглощении, высвобождении и переносе водорода внутри двух электродов.

Батареи NiMH состоят из двух металлических полос, которые выступают в качестве положительных и отрицательных электродов, а также изолирующего сепаратора из фольги между ними. Этот энергетический «бутерброд» наматывается и помещается в аккумуляторную батарею вместе с жидким электролитом. Положительный электрод обычно состоит из никеля, отрицательный — из гидрида металла. Отсюда и название «NiMH», или «никель-металл-гидрид».

Преимущества:

1. Содержит меньше токсинов и являются экологически чистым, поддаются переработке.
2. Эффект памяти выше, чем у Ni-Cad.
3. Гораздо безопаснее, чем литиевые батареи.

Недостатки:

1. Глубокая разрядка сокращает срок службы и вырабатывает тепло при быстрой зарядке и высокой нагрузке.
2. Саморазряд больше по сравнению с другими батареями, его нужно учитывать перед тем как заряжать NiMH.
3. Требуется высокий уровень технического обслуживания. Батарея должна быть полностью разряженной, чтобы предотвратить образование кристаллов в процессе зарядки.
4. Более дорогостоящий, чем Ni-Cad аккумулятор.

Характеристики заряда/разряда

Никель-металлогидридная ячейка имеет много характеристик, аналогичных NiCd, например, кривую разряда (с учетом дополнительной зарядки), которую может принять батарея. Она нетерпима к перезарядке, вызывающей снижение емкости, что представляет серьезную проблему для разработчиков зарядных устройств.

Характеристики тока, которые необходимы для того, чтобы правильно зарядить аккумулятор NiMH:

1. Номинальное напряжение — 1.2V.
2. Удельная энергия — 60-120 Вт-час/кг.
3. Плотность энергии — 140-300 Вт-час/кг.
4. Удельная мощность — 250-1000 Вт/кг.
5. Эффективность зарядки / разрядки — 90%.

Эффективность зарядки никелевых батарей составляет в диапазоне от 100% до 70% от полной емкости. Вначале происходит небольшое повышение температуры, но позже, когда уровень заряда поднимается, КПД падает, выделяя тепло, что требуется учитывать перед тем как заряжать NiMH.

Когда аккумулятор NiCD разряжается до определенного минимума напряжения, а затем заряжается, необходимо принять меры, чтобы уменьшить эффект кондиционирования (примерно каждые 10 циклов зарядки/разрядки), иначе он начнет терять емкость. Для NiMH такое требование не требуется, поскольку эффект для него незначителен.

Тем не менее такой процесс восстановления удобен и для никель-металлогидридных устройств, его рекомендуют учитывать перед тем, как заряжать NiMH аккумуляторы. Процесс повторяют три-пять раз, прежде чем они достигнут полной емкости. Процесс кондиционирования перезаряжаемых батарей гарантирует, что они будут работать долгие годы.

Методы восстановления NiMH

Существует несколько способов зарядки, которые можно использовать с никель-металлогидридными батареями. Они, как и NiCds, требуют источника постоянного тока. Скорость обычно указывается на корпусе ячейки. Она не должна превышать технологические нормы. Пределы границ зарядки четко регламентированы производителями. Перед эксплуатацией батарей нужно четко знать, каким током заряжать NiMH аккумуляторы. Существует несколько методов, которые используются для предотвращения сбоя:

1. Зарядка по таймеру. Использование времени для определения окончания процесса — самый простой способ. Часто электронный таймер встроен в устройство, хотя многие приборы не имеют этой функции. Подход предполагает, что элемент заряжаются от известного состояния, например, когда он полностью разряжен.
2. Тепловое обнаружение. Определение конца процесса осуществляется путем наблюдения за температурой элемента. Несмотря на то, что при чрезмерной зарядке устройство нагревается, сложно точно оценить повышение температуры, поскольку в центре батареи она будет намного горячее, чем снаружи.
3. Обнаружение отрицательного дельта-напряжения. NiMH выявляет падение напряжения (5 мВ). Перед тем как заряжать NiMH аккумуляторы, для надежной фиксации такого падения вводится фильтрация шума, чтобы гарантировать, что «паразитный» датчик и другие шумы не приводят к окончанию зарядки.

Параллельное питание элементов

Параллельная зарядка батарей затрудняет качественное определение окончания процесса. Это связано с тем, что нельзя быть уверенным, что каждая ячейка или пакет имеют одинаковое сопротивление, и поэтому некоторые из них будут потреблять больше тока, чем другие. Это означает, что нужно использовать отдельную цепь зарядки для каждой линии в параллельном блоке. Следует установить, каким током заряжать NiMH, определив балансировку, например, используя резисторы такого сопротивления, что будут доминировать в управлении параметрами.

Современные алгоритмы были разработаны для обеспечения точной зарядки без использования термистора. Эти устройства аналогичны Delta V, но имеют специальные методы измерения для обнаружения полного заряда, обычно включающие некоторый цикл, когда напряжение измеряется по временному интервалу и между импульсами. Для многоэлементных пакетов, если они не находятся в одном и том же состоянии и не сбалансированы по емкости, они могут заполняться по одному за раз, подавая сигнал об окончании этапа.

Чтобы сбалансировать их, потребуется несколько циклов. Когда батарея достигает конца заряда, кислород начинает образовываться на электродах и рекомбинировать на катализаторе. Новая химическая реакция создает тепло, которое легко измеряется термистором. Это самый безопасный способ определения окончания процесса во время быстрого восстановления.

Дешевый способ регенерации

Ночная зарядка — самый дешевый способ зарядки никель-металлогидридной батареи при C/10, что ниже 10% от номинальной емкости в час. Это нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Таким образом, аккумулятор емкостью 100 мАч будет заряжаться при 10 мА в течение 15 часов. Этот метод не требует датчика окончания процесса и обеспечивает полный заряд. Современные элементы имеют катализатор рециркуляции кислорода, который предотвращает повреждение батареи при воздействии электротоком.

Этот метод не может использоваться, если скорость зарядки превышает C/10. Минимальное напряжение, необходимое для полной реакции, зависит от температуры (не менее 1,41 В на элемент при 20 градусах), что нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Продолжительное восстановление не вызывает вентиляции. Оно слегка нагревает батарею. Чтобы сохранить срок службы, рекомендуется использовать таймер с диапазоном от 13 до 15 часов. В зарядном устройстве Ni-6-200 есть микропроцессор, который сообщает о состоянии заряда через светодиод, а также выполняет функцию синхронизации.

Быстротечный процесс заряда

Используя таймер, можно заряжать C/3.33 в течение 5 часов. Это немного рискованно, так как батарея предварительно должна быть полностью разряжена. Один из способов убедиться в том, что этого не произойдет, — автоматическая разрядка аккумулятора, выполняемая зарядным устройством, который затем запускает процесс восстановления на 5 часов. Преимущество этого метода состоит в том, чтобы исключить любую возможность создания негативной памяти батареи.

В настоящее время не все производители выпускают подобные зарядные устройства, но микропроцессорная плата используется, например, в зарядном устройстве C/10 /NiMH-NiCad-solar-charge-controller и может быть легко модифицирован для выполнения разряда. Для рассеивания энергии частично заряженной батареи в течение разумного промежутка времени потребуется блок рассеивания мощности.

Если используется температурный монитор, аккумуляторы NiMH можно заряжать со скоростью до 1C, другими словами, 100% емкости в ампер-часах в течение 1,5 часов. Контроллер заряда батареи PowerStream делает это совместно с платой управления, которая способна измерять напряжение и ток для более сложных алгоритмов. При повышении температуры процесс должен быть прекращен, а при значение dT/dt должен быть установлен на 1-2 градуса в минуту.

Существуют новые алгоритмы, которые используют микропроцессорное управление при использовании сигнала -dV для определения окончания заряда. На практике они работают очень хорошо, поэтому современные устройства используют эту технологию, которая включает в себя процессы включения и выключения для измерения напряжения.

Спецификации адаптера

Важной проблемой является срок службы батарей или общая стоимость периода службы системы. В этом случае производители предлагают устройства с микропроцессорным управлением.

Алгоритм для идеального зарядного устройства:

1. Мягкий старт. Если температура выше 40 градусов или ниже нуля, начинают с зарядки C/10.
2. Опция. Если напряжение разряженной батареи выше 1,0 В/элемент, разряжают батарею до 1,0 В/элемент, а затем переходят к быстрой зарядке.
3. Быстрая зарядка. При 1 градусе, пока температура не достигнет 45 градусов или dT не указывает на полный заряд.
4. После завершения быстрой зарядки заряжают при C/10 в течение 4 часов, чтобы обеспечить полную зарядку.
5. Если напряжение заряженного NiMH аккумулятора поднимается до 1,78 В/элемент, прекращают работу.
6. Если время быстрой зарядки превышает 1,5 часа без перерыва, ее останавливают.

Теоретически подзарядка — это скорость заряда, которая достаточно высока, чтобы держать аккумулятор полностью заряженным, но достаточно низкая, чтобы избежать перезарядки. Определение оптимальной скорости подзарядки для конкретной батареи немного сложно описать, но общепризнанно, что она составляет около десяти процентов от емкости батареи, например, для Sanyo 2500 мАч AA NiMH оптимальная скорость подзарядки — 250 мА или ниже. Ее нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH аккумуляторы.

Процессы повреждения аккумулятора

Наиболее частой причиной преждевременного выхода из строя аккумулятора является перезарядка. Типы зарядных устройств, которые чаще всего вызывают ее, — это так называемые «быстрые устройства» на 5 или 8 часов. Проблема с этими приборами состоит в том, что у них действительно нет механизма контроля процесса.

Большинство из них имеют простую функциональность. Они заряжаются с полной скоростью в течение фиксированного периода времени (обычно пять или восемь часов), а затем отключаются или переключаются на более низкую «ручную» скорость. Если они используются должным образом, то все в порядке. Если они применяются неправильно, то срок службы батареи сокращается несколькими способами:

1. Если полностью заряженные или частично заряженные батареи вставлены в устройство, оно не может это почувствовать, поэтому полностью заряжает аккумуляторы, для которых оно предназначено. Так, емкость аккумулятора падает.
2. Другой распространенной ситуацией является прерывание цикла зарядки в процессе. Однако после этого следует повторное подключение. К сожалению, это ведет к повторному запуску полного цикла зарядки, даже если предыдущий цикл практически завершен.

Самый простой способ избежать этих сценариев — использовать интеллектуальное зарядное устройство с микропроцессорным управлением. Оно может определять, когда батарея полностью заряжена, а затем — в зависимости от ее конструкции — либо полностью отключаться, либо переключаться в режим подзарядки.

Умные устройства iMax B6

Для того чтобы заряжать NiMH iMax, понадобится специальное зарядное устройство, так как использование неправильного метода может сделать батарею бесполезной. Многие пользователи считают iMax B6 лучшим выбором для зарядки NiMH. Он поддерживает процесс до 15 ячеистых батарей, а также множество настроек и конфигураций для разных типов аккумуляторов. Рекомендуемое время зарядки не должно превышать 20 часов.

Как правило, производитель гарантирует 2000 циклов зарядки / разрядки от стандартной батареи NiMH, хотя это количество может отличаться по условиям эксплуатации.

Алгоритм работы:

1. Заряжаем NiMH iMax B6. Необходимо подключить шнур питания к розетке с левой стороны устройства, принимая во внимание форму на конце кабеля, чтобы убедиться, что выполнено правильное подсоединение. Вставляем его до упора и останавливаем нажатие, когда появится звуковой сигнал и приветственное сообщение на экране дисплея.
2. Используют серебряную кнопку в крайнем левом углу, чтобы просмотреть первое меню и выбрать тип батареи, которую нужно зарядить. Нажатие крайней левой кнопки подтвердит выбор. Кнопка справа будет прокручивать опции: зарядка, разрядка, баланс, быстрая зарядка, хранение и другие.
3. Две центральные кнопки управления помогут выбрать нужный номер. Нажав крайнюю правую кнопку для входа, можно перейти к настройке напряжения, снова прокручивая с помощью двух центральных кнопок и нажав ввод.
4. Используют несколько кабелей для подключения аккумулятора. Первый набор выглядит как оборудование для лабораторных проводов. Он часто поставляется в комплекте с зажимами для крокодилов. Розетки для подключения находятся на правой стороне устройства рядом с нижней частью. Их достаточно легко обнаружить. Именно так можно зарядить NiMH с iMax B6.
5. Затем нужно подключить свободный кабель аккумулятора к концу красного и черного зажимов, создавая замкнутый контур. Это может быть немного рискованно, особенно если пользователь в первый раз выполнит неправильные настройки. Нажимают и удерживают кнопку ввода в течение трех секунд. Затем экран должен информировать о том, что он проверяет батарею, после чего пользователя попросят подтвердить настройку режима.
6. Во время зарядки аккумулятора можно прокручивать различные экраны дисплея с помощью двух центральных кнопок, которые сообщают информацию о процессе зарядки в различных режимах.

Советы по оптимизации работы с батареями

Самый стандартный совет: полностью разрядить батареи, а затем зарядить их. Хотя это является обработкой «эффекта памяти», в никель-кадмиевых батареях нужно быть осторожным, так как легко повредить их из-за чрезмерной разрядки, что приводит к «обращению полюсов» и к необратимым процессам. В некоторых случаях электроника аккумуляторов выполнена таким образом, что предотвращает негативные процессы, отключаясь до того, как они произойдут, но более простые устройства, например, для фонариков, этого не делают.

Необходимо:

1. Быть готовым заменить их. Никель-металлогидридные батареи не вечны. После окончания ресурса они перестанут работать.
2. Купить «умное» зарядное устройство, которое с помощью электроники контролирует процесс и предотвращает перезарядку. Это не только лучше для аккумуляторов, но и потребляет меньше энергии.
3. Извлечь батарею, когда перезарядка завершена. Ненужное время на устройстве означает, что для его зарядки используется больше «струйной» энергии, поэтому увеличивается износ и расходуется больше энергии.
4. Не разряжать батареи полностью, чтобы продлить срок их службы. Несмотря на все советы об обратном, полная разрядка фактически сокращает срок их службы.
5. Хранить NiMH батареи при комнатной температуре в сухом месте.
6. Избыточное тепло может повредить батареи и привести к их быстрой разрядке.
7. Рассмотреть возможность использования модели с низким уровнем заряда.

Таким образом, можно подвести черту. Действительно никель-металлогидрид батареи более подготовлены производителем для работы в современных условиях, а правильная зарядка аккумуляторов с применением умного устройства обеспечит их производительность и долговечность.