Казалось бы, на рынке портативной электроники и электроинструмента уже безраздельно царят литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, однако во многих применениях производители не спешат отказываться от никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов, надежных и безопасных.
В частности, такими аккумуляторами китайские производители продолжают комплектовать самоходные детские игрушки и страйкбольное «оружие». Типовыми являются сборки напряжением 4.8 В (4 элемента), 7.2 В (6 элементов), 8.4 В (7 элементов), 9.6 В (8 элементов) и 11.2 В (10 элементов).
Как правило, все изделия с такими аккумуляторами снабжаются простейшими зарядными устройствами с использованием маломощного трансформатора, выполняющего роль балластного сопротивления. В общем случае такие устройства выполняют свои функции, но в силу некоторых особенностей заряда NiMH аккумуляторов часто перезаряжают их, что приводит к существенному сокращению срока службы.
Существуют зарядные устройства с микроконтроллером на борту, позволяющие выбрать зарядный ток и прекращающие зарядку после полного заряда аккумулятора. Однако такие устройства расcчитаны на поэлементный заряд аккумуляторов (2 – 4 элемента).
В Интернете достаточно много информации, посвященной методикам заряда NiMH аккумуляторов. Наиболее интересной и информативной, по мнению автора, является работа [1].
Побудительным мотивом к написанию этой статьи явился выход из строя самодельного зарядного устройства для сборок NiMH аккумуляторов на базе 32-разрядного микроконтроллера (МК) STM32F405RG, предположительно из-за скачка напряжения в сети. Соответствующий скрипт был давно утрачен, а писать его заново не хотелось, поэтому автор решил реализовать функционал зарядного устройства на дискретных элементах. Как всегда, мы не ищем легких путей 
.
Для того чтобы иллюстрировать дальнейший материал, рассмотрим особенности процесса заряда на примере двух NiMH аккумуляторных сборок напряжением 7.2 В ёмкостью 500 мА•ч. На Рисунке 1 представлены кривые напряжения на аккумуляторах в процессе заряда, а также соответствующие изменения температуры. Измерения напряжения производились мультиметром ANENG 870 класса 0.05, а измерения температуры – термопарой мультиметра MESTEK MT102. Заряд производился стабильным током 250 мА.
 |
|
| Рисунок 1. | Диаграммы напряжения и температуры аккумуляторов в процессе заряда. Шкала по горизонтальной оси в минутах. |
Несмотря на существенные различия в изменении параметров во время заряда, мы видим две главные особенности процесса:
- После достижения некоторого максимума напряжение аккумулятора начинает уменьшаться;
- После прохождения напряжением аккумулятора максимального значения, его температура начинает быстро расти.
Из анализа зарядных кривых можно сделать вывод о необходимости прекращения заряда либо при достижении максимума напряжения на клеммах аккумулятора, либо при ускорении роста температуры.
В зарядном устройстве должны быть реализованы обе функции, но главным критерием является прохождение напряжения на аккумуляторе через точку максимума, так как скорость роста температуры зависит от многих факторов, таких как теплопроводность материала корпуса аккумулятора, способа охлаждения – естественный или принудительный и т.п.
Рассмотрим более подробно графики изменения напряжения на аккумуляторах в окрестностях максимума, показанные на Рисунке 2. Параметры измерялись через 60 секунд. Мы видим, что максимальное напряжение для обоих аккумуляторов одинаково и составляет 9.138 В, что соответствует напряжению 1.523 В на один элемент.
 |
|
| Рисунок 2. | Диаграммы напряжения и температуры аккумуляторов в процессе заряда в окрестностях максимума напряжения. Шкала по горизонтальной оси в минутах. |
Для прекращения заряда после достижения максимума напряжения необходимо:
- через некоторый фиксированный интервал времени, например, через две минуты, измерять напряжение и запоминать его величину.
- если последующее измерение покажет уменьшение текущего значения по сравнению с предыдущим, заряд следует прекратить.
Именно так и работало зарядное устройство на микроконтроллере.
МК STM32F405RG имеет на борту многоканальный 12-разрядный АЦП, что позволяет измерять напряжение аккумулятора с достаточной разрешающей способностью.
Главная сложность при построении аналогового анализатора окончания заряда заключается в хранении результата предыдущего измерения в течение нескольких минут.
Примечание. На всех схемах, приведенных ниже, подразумевается, что заряд аккумулятора производится от источника тока, а выходной сигнал анализатора окончания заряда обрабатывается логической частью контроллера заряда. Цепи, формирующие гистерезис компараторов, не показаны.
Самая простая идея заключалась в применении пикового детектора и компаратора в конфигурации, показанной на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Вариант анализатора заряда NiMH аккумулятора с пиковым детектором. |
Операционный усилитель A1.1, диод VD1 и конденсатор C1 представляют собой классический пиковый детектор. Повторитель на операционном усилителе A1.2 обеспечивает низкий разряд конденсатора в процессе сравнения напряжения UC на конденсаторе С1 и текущего значения напряжения аккумулятора UA.
Пока напряжение UA на аккумуляторе в процессе заряда растет, напряжение UУПР на выходе компаратора остается низким. Как только напряжение UA начнет уменьшаться, напряжение UУПР станет высоким.
Однако эксперимент не подтвердил возможность использования такой конфигурации анализатора. Дело в том, что конденсатор С1 быстро разряжается через обратное сопротивление диода VD1, так как входным током операционных усилителей типа КМОП можно пренебречь. Для высококачественного полипропиленового конденсатора емкостью в 1 мкФ и диода КД521 скорость разряда составила 0.8 мВ/с (24 мВ/мин).
Если после заряда конденсатора разорвать цепь в точке B, то скорость разряда снижается до 3 мкВ/с (180 мкВ/мин) при навесном монтаже и до 4.0 мкВ/с (240 мкВ/мин) на хорошо отмытой печатной плате из стеклотекстолита. В эксперименте использовался оригинальный rail-to-rail операционный усилитель TLC2272.
Приведенные ниже конфигурации анализаторов сложнее, так как содержат схему выборки-хранения с электронным ключом, тактовый генератор и формирователь импульсов.
Применение схемы выборки-хранения позволяет получить низкую скорость разряда накопительного конденсатора и использовать как восходящую, так и нисходящую ветвь зарядной кривой в окрестностях точки максимума напряжения на аккумуляторе.
На Рисунке 4 показана схема анализатора, использующего нисходящую ветвь зарядной кривой.
 |
|
| Рисунок 4. | Вариант анализатора заряда NiMH аккумулятора с использованием схемы выборки-хранения с анализом нисходящей ветви зарядной кривой. |
Исходно конденсатор С1 разряжен, UC мало, а UA велико, и на выходе компаратора A1.2 напряжение UУПР имеет низкий уровень. После поступления импульса, управляющего ключом SW1, напряжение Uc становится равным напряжению аккумулятора UA, но напряжение UУПР на выходе компаратора A1.2 остается по-прежнему низким за счет того, что напряжение на его неинвертирующем входе ниже входного на величину падения напряжения на резисторе R1, составляющем 2 мВ. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение аккумулятора UA не начнет уменьшаться после прохождения вершины зарядной кривой. Если в течение контрольного интервала уменьшение напряжения на аккумуляторе превысит падение напряжения на резисторе R1, напряжение UУПР на выходе компаратора A1.2 станет высоким.
Реализация анализатора заряда с анализом восходящей ветви зарядной кривой имеет схожую конфигурацию и изображена на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Вариант анализатора заряда NiMH аккумулятора с использованием схемы выборки-хранения с анализом восходящей ветви зарядной кривой. |
Исходно конденсатор С1 разряжен, UC мало, а UA велико и на выходе компаратора A1.2 напряжение UУПР имеет низкий уровень. После поступления импульса, управляющего ключoм SW1, напряжение UC становится равным напряжению аккумулятора UA, за вычетом падения напряжения на резисторе R1, составляющем 2 мВ. Напряжение UУПР на выходе компаратора A1.2 остается по-прежнему низким. По мере заряда скорость прироста напряжения за контрольный интервал будет уменьшаться. Если этот прирост составит менее 2 мВ, напряжение Uупр на выходе компаратора A1.2 станет высоким.
На Рисунке 6 показана осциллограмма имитации процесса заряда аккумулятора с анализом восходящей ветви зарядной кривой. Вместо аккумулятора на вход анализатора реального зарядного устройства подключен функциональный генератор FY3200S. Момент старта задавался вручную, финиш формируется анализатором.
 |
|
| Рисунок 6. | Имитация процесса заряда NiMH-аккумулятора. Желтый луч – входной сигнал, синий – напряжение на конденсаторе С1. |
Все описанные выше особенности заряда NiMH аккумуляторов учтены при замене анализатора, выполненного на микроконтроллере, на анализатор, выполненный на дискретных элементах, в реальном зарядном устройстве, показанном на Рисунке 7. Для проверки работоспособности были заряжены все NiMH аккумуляторы, имеющиеся в распоряжении автора, с напряжением от 4.8 В до 11.2 В.
 |
|
| Рисунок 7. | Восстановленное зарядное устройство в процессе заряда страйкбольного NiMH аккумулятора с номинальным напряжением 9.6 В. |
В заключение несколько практических рекомендаций, актуальных как для аналоговых, так и для цифровых зарядных устройств NiMH аккумуляторов:
- Учитывая, что анализатор должен обнаруживать разность напряжений между смежными измерениями в единицы милливольт, следует тщательно отфильтровать помехи по цепи питания зарядного устройства с применением синфазных дросселей.
- Если используется импульсный стабилизатор тока, то надо хорошо отфильтровать высокочастотную пульсацию на его выходе с применением дополнительных LC-фильтров. В упомянутом в статье устройстве высокочастотные пульсации составляют около 0.5 мВ от пика до пика при токе 400 мА.
- Провода, соединяющие зарядное устройство с аккумулятором, должны иметь минимальную длину, чтобы исключить сетевые наводки.
- Зарядное устройство в обязательном порядке должно обеспечивать измерение температуры аккумулятора. Не следует допускать нагрев наружной оболочки аккумуляторов свыше 40 градусов. Оптимально использовать для измерения температуры полупроводниковые датчики LM35 или аналогичные c температурным коэффициентом 10 мВ/°С.
- Заряд следует прекращать при скорости роста температуры более 1 градуса в минуту.
- Заряд аккумуляторов оптимально производить током 0.5С, где С – емкость аккумулятора. При таком токе экстремум зарядной характеристики выражен достаточно хорошо.
Автор надеется, что эта статья поможет читателям разрабатывать зарядные устройства, обеспечивающие бережный заряд NiMH аккумуляторов.
У некоторых читателей может возникнуть законное сомнение в способности конденсатора хранить заряд в течение длительного времени. Поэтому к статье прилагается видео, которое, возможно, сможет помочь сомневающимся.
| Демонстрация возможности хранения заряда на конденсаторе с точностью не хуже 1 мВ/мин |
