Зарядник Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. 9

Золотая рыбка:
— Ну а теперь ты, русский Иван! Твоё третье желание…
— Не-е, ну чё за фигня? Пьянка только началась, а ты всех их по домам раскидала. Значит так, Златая рыбка: ящик водки и всех обратно!
(очень старый анекдот)

Только я успокоился, как вдруг пришло письмо от товарища Сергея Ч., в котором он замечает, что я утаил часть информации о проекте. Ну что ж. Справедливо.

Давайте поговорим ещё немного на тему зарядки аккумуляторов.

Наверно было бы правильнее начать со схемы. Так и поступим.

Схема крайне простая и не содержит никакой тайны.

Схема не полная, на ней много чего не показано. Но суть работы зарядника схема отражает полностью.

В основе схемы лежат токоограничивающие резисторы R4 и R5 и ключи Q2 и Q3, которые подключают эти резисторы к аккумулятору.

Во время фазы разрядки аккумулятора ключ Q2 выключен, а ключ Q3 включен. Аккумулятор разряжается через нагрузочное (токоограничивающее) сопротивление R5.

Во время фазы зарядки ключ Q3 выключен, а ключ Q2 включен. Зарядный ток определяется разностью напряжений между источником питания (+5 В) и напряжением на аккумуляторе и сопротивлением резистора R4.

Номиналы резисторов, как это обычно бывает, были сначала вычислены, а затем уточнены на практике. Зарядный ток обеспечивается в районе 200 мА, разрядный — около 100 мА.

Резистор R7 (и R?) нужны для того чтобы «сливать» обратный ток коллектора на общий провод. Этот незначительный и на работу схемы никак не влияет. Проблема в другом.

Проблема в том, что мы не просто разряжаем/заряжаем аккумулятор, мы ещё и что-то пытаемся замерить. Чтобы этот обратный ток не попал в база-эмиттерный переход и не вызвал уже более заметный ток коллектора, я решил его сбросить в землю. В конце концов, дополнительный резистор — это не такая уж большая затрата.

Если бы в цепи базы отсутствовал светодиод, то резистор R7 не понадобился вообще. Его роль играл бы резистор R1 (R6) — обратный ток коллектора сливался бы через него и вывод микроконтроллера. Но поскольку в цепи присутствует светодиод, который будет препятствовать прохождению тока в этом направлении, то обратному току коллектора ничего не остаётся как втекать в база-эмиттерный переход тем самым слегка приоткрывая транзистор.

Светодиоды включены таким образом, что по их свечению можно узнать какой ключ включен, а какой выключен.

Возможно кое у кого возникнет вопрос — а почему нельзя было сразу управлять базой транзистора Q2 непосредственно от микроконтроллера? И в самом деле, то же самое питающее напряжение +5 подается и на микроконтроллер.

Ответ состоит в том, что при разработке схемы я планировал, что, возможно, я буду применять STM32.

Резистор R3 нужен для ограничения тока базы Q2.

Это всё, что касается части управления токами зарядки и разрядки. Теперь поговорим об измерительной части схемы.

Измерение напряжения осуществляется в двух точках — в коллекторах транзисторных ключей. Эти точки обозначены как Ud1 и Uc1. Программа, которая работает в микроконтроллере всегда измеряет оба значения.

Когда оба ключа выключены, то напряжения Ud1 и Uc1 равны.

В режиме разрядки аккумулятора ключ Q2 разомкнут, а ключ Q3 замкнут. Таким образом, напряжение Ud1 показывает напряжение на аккумуляторе под нагрузкой, а напряжение Uc1 — падение напряжения на ключе.

Транзисторный ключ не идеален. На нём падение напряжения составляет примерно 150-250 мВ в зависимости от силы протекающего через него тока и его (транзистора) температуры.

Поскольку сопротивление резисторов R8, R10 и входное сопротивление микроконтроллерного входа на несколько порядков больше, сопротивления резистора R4, то последний практически не вносит искажений при измерении напряжения.

Зная разность потенциалов Ud и Uc, и зная сопротивление резистора R5, не сложно вычислить значение разрядного тока. Но микроконтроллер не занимается вычислениями. Он только измеряет (оцифровывает) напряжение в указанных точках и передает коды АЦП в компьютер. Компьютерная программа переводит коды АЦП в значения физических величин (в вольты) и производит косвенные вычисления тока.

В режиме зарядки ключ Q2 замкнут, а ключ Q3 разомкнут. Зарядный ток протекает через резистор R4. Поскольку через резистор R5 не протекает никаких токов, то он не оказывает на измерения никаких воздействий.

Напряжение в точке Uc1 — это ни что иное как напряжение на аккумуляторе во время зарядки. Напряжение Ud1 будет несколько отличаться от напряжения питания +5 В, из-за падения напряжения на транзисторном ключе.

Зная разность потенциалов Uc1 и Ud1 и зная сопротивление резистора R4, можно вычислить зарядный ток.

Поскольку процессы зарядки и разрядки аккумуляторов кране неспешные, все измерения производятся с периодичностью в одну секунду. Но тут есть одна тонкость. Дело в том, что для полноты картины необходимо знать ещё и эначение э.д.с. аккумулятора.

Измерение э.д.с. осуществляется точно так же, как и измерение напряжения в точках Ud1 и Uc1, за исключением того, что перед измерением оба ключа Q2 и Q3 размыкаются на время 10 мс.

Я смотрел осциллограммы процессов. Этого времени вполне достаточно, что бы гарантировать, что все переходные химические процессы «устаканиваются». Измерение э.д.с. осуществляется в конце этого 10-миллисекундного периода. Потом снова включается соответствующий транзисторный ключ.

Можно подумать, что такое временное выключение зарядного или разрядного тока исказит измерения. Да, оно исказит. Вопрос в другом — на сколько сильно?

Период измерения, как я уже говорил, составляет 1 секунда, или другими словами — 1000 мс. Время отключения для измерения э.д.с. составляет 10 мс. Таким образом мы вносим искажения на уровне 1 %. Это значение соизмеримо с точностью изготовления резисторов в измерительной цепи. Поэтому, можно сказать, такой способ измерения э.д.с. ни на что не влияет.

Зная значение э.д.с. и зная значение напряжения под нагрузкой (или при зарядке) и зная значение зарядного или разрядного тока можно вычислить внутренне сопротивление аккумулятора.

Напряжения в точках Uc1 и Ud1 в программном коде имеют аналогичное обозначение. Соответственно, значения э.д.с. в этих же точках обозначаются как Ec1 и Ed1.

Зарядник имеет два слота. Соответственно для второго канала обозначения будут иметь на конце цифру 2. На приведённой в начале этой статьи схеме второй канал не показан, но он точно такой же.

Я еще раз подчеркну — микроконтроллер не занимается вычислениями. Эта задача лежит целиком на компьютерной программе. Микроконтроллер передает в комп только коды АЦП, внутренний счетчик секунд и код режима работы.

Режимов работы всего четыре:

  1. Слот пуст,
  2. Аккумулятор разряжается,
  3. Аккумулятор заряжается,
  4. Аккумулятор заряжен

Теперь, что касается вычисления емкости и энергии. Тут тоже всё просто.

Емкость аккумулятора — это интегральное значение тока. Вычисляется легко — нужно тупо просуммировать все ежесекундные значения тока. Получим ёмкость в ампер-секундах. Для того чтобы получить ёмкость в более привычных единицах — в ампер-часах, нужно полученное значение поделить на 3600.

Энергия — это интегральное значение мгновенной мощности. Мощность вычисляется как произведение тока на напряжение. Остается только просуммировать все ежесекундные значения мощности.

 

Ну, всё. Кажись, вроде бы на все вопросы ответил. Фух!

Реклама

2 responses to “Зарядник Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. 9

  1. Не перепутаны ли местами Uc и Ud на схеме и на графиках? Впрочем, и так все понятно. Спасибо. Очень интересные исследования. Неплохо было бы их распространить и на литиевые аккумуляторы ))). Сейчас это очень актуально.

    • Да, Uc и Ud возможно, перепутаны. Но это не проблема!

      Ну да, тема литиевых аккумуляторов сейчас весьма бурно обсуждается.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s