"Умная" зарядка NiMH аккумуляторов формата 6F22 ("крона")

Автор: vdavid
Опубликовано 04.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2014"

Когда у меня в очередной раз в самый неподходящий момент в мультиметре разрядилась "крона",  а под рукой запасной не оказалось, я решил, что нужно что-то с этим делать. Как выяснилось в доме полно устройств с таким питанием. Это и мультиметры, и пирометр, и тонометр, и тахометр и еще не пойми что.

Аккумуляторов в формате "кроны" (6F22) на рынке представлено предостаточно, но действительно качественных не так много. Перепробовав кучку разных китайских изделий остановился на Tenergy Centura. Они с низким саморазрядом, что для таких аккумуляторов весьма важно и имеют вполне приличную емкость (200 мАч).

Купить аккумуляторы на ebay не составило особого труда, но тут же встал вопрос: "А чем заряжать?". Конечно, можно было купить или быстро собрать таймерную зарядку и лить в аккумуляторы 20 мА в течение 12..14 часов. Но так же не интересно, правда? Посему решил собрать "умную" заражалку/разряжалку для аккумуляторов этого форм-фактора.

Что из этого получилось можно увидеть на схеме.

Вот так выглядит собранная плата: 

На самом деле конструкций неплохих зарядных устройств для NiMH/MiCd аккумуляторов в сети достаточно много. Взять хотя бы и замечательную статью "Умная зарядка NiMh AA аккумуляторов" Дмитрия Мосина.

Но "заточенных" под аккумуляторные батареи с малыми токами заряда как-то не встречалось (может плохо искал?). Кроме того, хотелось иметь возможность оценки аккумулятора. 

Итак, зарядное устройство умеет:

• заряжать аккумуляторы с измерением залитой емкости;
• разряжать аккумуляторы с измерением слитой емкости;
• циклировать (последовательные циклы заряда/разряда);
• измерять внутреннее сопротивление аккумуляторов.

Методы останова заряда:

• inflection (точка перегиба);
• -dV/dt;
• только по таймеру/залитой емкости.

Для первого метода заряда запасными являются -dV/t и dV=0.

Для второго dV=0.

Кроме того имеется:

• ограничение по времени заряда и максимальной емкости;
• дозаряд постоянным током после окончания основного заряда (ток и время дозаряда настраиваются).

Есть интерфейс UART в TTL-уровнях для передачи данных на ПК о текущем токе, напряжении и емкости.

Несколько слов о методе останова inflection (точка перегиба). Он основан на том, что в конце заряда скорость роста напряжения на аккумуляторе увеличивается, а затем начинает уменьшатся.

Вот именно в момент этого уменьшения (после прохождение максимума первой производной dV/dt) и следует останавливать заряд. Такой метод останова заметно лучше, чем традиционный останов, основанный на уменьшении напряжения (минус дельта), поскольку предотвращает нагрев аккумулятора и продлевает жизнь электродов. В то же время при останове по inflection аккумулятор остается немного недозаряженным, что легко можно исправить дозарядкой малым током, либо не заморачиваться вовсе, поскольку по достижении точки inflection аккумулятор будет заряжен не менее, чем на 95%. На следующей картинке приведен типичный график заряда NiMH акуумулятора.

Хорошо видно, что резкий рост температуры начинается именно после точки перегиба зарядной кривой.

Одной из проблем обнаружения точки перегиба является то, то таких точек в общем случае 2. Одна из них хорошо просматривается в начале заряда аккумулятора.

Поэтому алгоритм основан на том, что сначала обнаруживается "плоский" участок зарядной кривой (стадия 1), а только после него ожидается inflection (стадия 2). Однако это может не сработать, когда аккумулятор не полностью разряжен. Поэтому переход ко второй стадии заряда произойдет и в случае, когда напряжение достигнет величины 1.38В на банку.

Естественно, что первые 8 измерений после старта заряда в любом случае в расчет не берутся.

Питается устройство от источника постоянного тока напряжением 5В. Поскольку ток потребления не превышает 300 мА, это может быть хоть USB-порт, хоть любой самый дешевый китайский блок питания.

В качестве step-up преобразователя, обеспечивающего ток заряда, используется MC33063. Двухобмоточный дроссель T1 пришлось применить для корректной работы токовой защиты преобразователя.

Операционный усилитель DA1.B обеспечивает регулировку тока, а DA1.A усиливает сигнал с токоизмерительных резисторов заряда/разряда для измерения их с помощью АЦП микроконтроллера. ОУ должен уметь работать начиная от нуля вольт на входах и иметь небольшое минимальное выходное напряжение. У AD8606 это напряжение составляет всего 20 мВ. Его безболезненно можно заменить на существенно более дешевые и доступные LM358, LMV358.

Транзистор VT4 служит для защиты от неправильной полярности подключения аккумулятора. VT2 регулирует ток разряда. Это может быть любой MOSFET с напряжением отсечки не более 2В в корпусе TO252. Они в изобилии водятся на материнских платах в цепях питания памяти, южного моста. Резистор R15 должен быть мощностью 0.5 Вт. Резистор R1 служит для измерения тока заряда, R23 - тока разряда. Дисплей H1 - любой с контроллером HD44780 на 2 строки по 16 символов.

Двухобмоточный дроссель T1 намотан на кольце из распыленного железа. Добыть можно со старых материнских плат. Наружный диаметр кольца 10 мм, внутренний – 7, высота – 1.5 мм. Намотка выполнена в два провода диаметром 0.4 мм. Число витков - 120. Индуктивность дросселя должна быть 100..180 мкГ.

Назначение разъемов:

• X1 - питание 5В;
• X2 - аккумулятор;
• X3 - разъем для программирования микроконтроллера;
• X4 - USART (в ТТЛ-уровнях).

Назначение кнопок:

• SB1 - Старт/стоп;
• SB2 - Влево (меньше);
• SB3 - Вправо (больше);

Код для микроконтроллера написан на C под компилятор AVR-GCC (WinAVR). Я специально включил в него несколько вещей, которые не особо нужны в этом устройстве,но могут быть полезны как обучающий материал. Во-первых это PID-регулятор, который является слегка модифицированным вариантом из Атмеловской application note.

Почему здесь не нуден PID? Да потому, что постоянная времени обратной связи заметно превышает реактивность регулятора. Посему P-регулятор будет ничуть не хуже, чем PID.

Во-вторых это программное увеличение разрядности ШИМ за счет использования плотностно-импульсной модуляции. Обе эти опции могут быть отключены соответствующими #define.

Правильно собранная плата в наладке почти не нуждается. Возможно, придется подобрать резистор R24 таким образом, что бы при не подключенном аккумуляторе напряжение на выходе DA1.A немного превышало минимально допустимое выходное напряжение для выбранного типа ОУ.

Далее можно приступить к калибровке.

Для калибровки измерения напряжения необходимо подать питание (5В) с нажатыми кнопками "старт/стоп" (SB1) и "влево" (SB2). Аккумулятор при этом должен быть подключен. И непосредственно к нему нужно подключить вольтметр.

На индикаторе отобразится экран калибровки напряжения:

Здесь U - напряжение, S - значение, считанное из АЦП, М - коэффициент пересчета. Нажатием кнопок "влево" или "вправо" добиваетесь, что бы напряжение на индикаторе совпало с напряжением на вольтметре, подключенном к аккумулятору. Нажимаете кнопку "старт/стоп". На этом калибровка напряжения завершена.

Для калибровки измерения тока последовательно с аккумулятором нужно подключить миллиамперметр, а зарядное устройство включить с нажатыми кнопками "старт/стоп" (SB1) и "вправо" (SB3).

При этом на экране увидим вот такое:

Наша задача - кнопками "влево"/"вправо" добиться показаний милиамперметра, совпадающих со значением, указанным в верхней строке после "I". Заканчивается калибровка нажатием кнопки "старт/стоп".

После этого увидим следующий экран с цифрой "1" в первой позиции верхний строки и током 75.0. Повторяем процедуру, добиваясь показаний миллиамперметра 75 мА.

Далее проходим аналогично еще два этапа калибровки тока. Почему калибровка по 4-м точкам? Две первые - ток заряда, две вторые - ток разряда. Старайтесь выполнять калибровку верхних токов (75..80 мА) быстро, ибо такой ток понравится не каждому аккумулятору.

После окончания калибровки включаем устройство и видим на экране:

Нажимая кнопки "влево"/"вправо" циклически перебираем режимы работы:

• "Charge" - заряд;
• "Disharge" - разряд;
• "Disharge/Charge" - разряд/заряд;
• "Int. resistance" - измерение внутреннего сопротивления;
• "Display history" - значения залитой/слитой емкости после последнего "Disharge/Charge";
• "Setup" - настройки.

Выбор режима осуществляется кнопкой "старт/стоп".

Режим "Setup" позволяет изменять настройки устройства. Эти настройки следующие:

• "Charge current" - ток заряда в мА;
• "Disch. current" - ток разряда в мА;
• "Cells" - число элементов в батарее (обычно 7);
• "Capacity limit" - ограничение по емкости в мАч;
• "Time limit" - ограничение по времени;
• "Charge algorithm" - алгоритм заряда;
• "Chg/Dchg pause" - пауза между зарядом и разрядом;
• "Chg/Dchg cycles" - число циклов звряда/разряда;
• "Bal. current" - зарядный ток после окончания основного заряда ("балансировочный" ток);
• "Bal. time, min" - время "балансировки"

Значения настроек изменяются нажатием кнопок "влево"/"вправо". Переход к следующей настройке - кнопка "старт/стоп".

Ну что, настроили?

Нажимаем кнопку "старт/стоп" в режиме "Charge" и видим:

Первый символ в верхней строке показывает режим работы: "C" - заряд, "D" -разряд. Второй символ - стадия заряда. В первой стадии нет попыток поиска точки перегиба, во второй - ожидаем точку перегиба. Далее - напряжение и ток. Во второй строке - время от начала заряда/разряда и емкость в мАч. Символы "CC" в нижней строке указывают на то, что отображается емкость последнего (включая текущий) цикла заряда. Символы "CD" - разряда.  Смена режима индикации - нажатие кнопки "влево".

По окончани заряда во 2 и 3 знакоместах верхней строки будет отображаться причина останова:

• "CB" connection break батарея отсоединена;
• "TL" time limit исчерпано ограничение по времени;
• "CL" capacity limit исчерпано ограничение по емкости;
• "-D" -dV/dt пресловутаz минуc дельта;
• "MD" max(dV/dt) inflection точка перегиба;
• "0D" dV/dt=0 отсутствие роста напряжения;
• "AB" abort прервано пользователем (нажата кнопка "старт/стоп" во время заряда).

Это зарядное устройство работает у меня около трех лет и ни разу меня не подвело.

Ну и в конце немного графиков.

Заряд током 30 мА

Заряд током 50 мА

Заряд током 70 мА

Разряд током 40 мА

Файлы:
Программа записи лога заряда для ПК
Схема и плата в формате PCAD 2004
Прошивка с исходниками

Все вопросы в Форум.