Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Ładowarka ogniwa NI-MH 1,2V

tobiexe 01 Jun 2019 13:19 1302 17
Tespol
  • #1
    tobiexe
    Level 9  
    Witam wszystkich,
    Jak wiemy standardowo ładujemy ogniwo prądem 10% wartości pojemności przez 16h. W moim przypadku jest to akumulatorek R20 o pojemności min.5000mAh. Wykonałem ładowarkę jak na schemacie z noty katalogowej LM338T ale na LM317. I mam pytania: Czy lepiej zastosować źródło prądowe? Jaka jest zasada działania tej ładowarki? Czy poprawnie naładuje nią ogniwo? Według obliczeń napięcie wynosi 1,5V a prąd początkowy ładowania mierzony to 0,5A. Z tym, że spada po jakimś dłuższym czasie do 0,15A. I teraz się zastanawiam czy jeśli ten prąd zmniejsza się w trakcie ładowania to czy czas ładowania wydłużą się?

    Ładowarka ogniwa NI-MH 1,2V
  • Tespol
  • #2
    kortyleski
    Level 43  
    Lepiej zbudować stabilizator 1,5V i rezystorem szeregowym prąd ograniczyć. Może będzie się dłużej ładować ale lepiej.
  • #3
    User removed account
    Level 1  
  • Tespol
  • #4
    rb401
    Level 38  
    tobiexe wrote:
    Z tym, że spada po jakimś dłuższym czasie do 0,15A. I teraz się zastanawiam czy jeśli ten prąd zmniejsza się w trakcie ładowania to czy czas ładowania wydłużą się?


    Tu wygląda wszystko ok. Brakuje tylko z Twojej strony obserwacji przy jakim napięciu na ogniwie ten prąd spada. Jeśli napięcie dojdzie do 1,5V to układ przechodzi do trybu stabilizacji napięcia a wartość prądu wtedy zależy tylko od samego ogniwa, ile ono sobie pobiera. I praktycznie będzie płynąć zawsze jakiś mały prąd dopóki ładowarka będzie włączona. Ale nie jest to korzystne akurat dla Ni-MH, dlatego po określonym czasie trzeba to ogniwo po prostu wyjąć z ładowarki. Samo wyłączenie zasilania ładowarki też nie jest dobre bo ogniwo będzie się rozładowywać przez oporniki dzielnika.

    Może się źle sugerujesz, że jeśli ogniwo dojdzie do 1,5V to prąd spada do zera. Ale tak nie jest.
    Teoretycznie w tym układzie dopóki napięcie na ogniwie jest niższe niż 1,5V to LM317 daje tyle ile może prądu (limitowanego wewnętrznym zabezpieczeniem), by stabilizować to napięcie na wartość wynikającą z wartości w dzielniku 300/61 czyli 1,5V.
    Ale jeśli prąd ładowania jest na tyle duży że na całkiem dolnym oporniku będzie gdzieś ok. 0,6V (czyli napięcie bazy przy którym tranzystor zaczyna się załączać) wtedy działa ogranicznik na tym tranzystorze na dole, który bocznikując dolny opornik dzielnika, prosto mówiąc, "oszukuje" LM317 że napięcie jest ok.

    Proponuję, byś podczas ładowania, gdy zobaczysz że prąd ładowania zaczyna znacząco spadać, zmierzył napięcie na ogniwie oraz między końcówkami 317 Vout i Adj. Jeśli to będą odpowiednio 1,5V i 1,25V to znaczy że wszystko w porządku i przyczyną obniżenia prądu jest wyłącznie charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa w momencie dojścia do 1,5V.

    Ten układ jest jak na swoją prostotę jest niezły, bo zawiera dwie funkcje w jednym. Co prawda wartość limitu prądowego nie jest może szczególnie precyzyjna bo to prosty układ z tranzystorem zmieniającym nieco warunki pracy np. z temperaturą. Ale nie widzę też potrzeby by robić jakieś jeszcze źródło prądowe itp. skoro i tak nie gra to większej roli.
  • #5
    User removed account
    Level 1  
  • #6
    tobiexe
    Level 9  
    rb401 wrote:
    Proponuję, byś podczas ładowania, gdy zobaczysz że prąd ładowania zaczyna znacząco spadać, zmierzył napięcie na ogniwie oraz między końcówkami 317 Vout i Adj. Jeśli to będą odpowiednio 1,5V i 1,25V to znaczy że wszystko w porządku i przyczyną obniżenia prądu jest wyłącznie charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa w momencie dojścia do 1,5V.


    Mierzone napięcia i prąd po 16h ładowania wynoszą przy załączonym układzie odpowiednio: I = 0,11A; Vbat=1,45V; Vout=1,64V; Vref=1,24V.
    Czy ogniwo w tym momencie jest w pełni naładowane?
  • #8
    rb401
    Level 38  
    Może lepiej jak uzupełnię rysunek o indeksy węzłów, bo nie do końca jestem pewien czy dobrze interpretujemy z kolegą _jta_ te pomiary:

    Ładowarka ogniwa NI-MH 1,2V

    tobiexe wrote:
    Mierzone napięcia i prąd po 16h ładowania wynoszą przy załączonym układzie odpowiednio: I = 0,11A; Vbat=1,45V; Vout=1,64V; Vref=1,24V.


    Odnoszę wrażenie że Twoje wartości jeśli użyć oznaczeń węzłów j/w:
    Vbat=1,45V to Ubd
    Vout=1,64V to Ubm
    Vref=1,24V to Ubc

    Jeśli się mylę to popraw.
    Ale według tej interpretacji wygląda to całkiem w porządku jeśli chodzi o działanie układu. Układ wszedł w zakres stabilizacji napięcia i płynie prąd wyłącznie zależny od ogniwa. Małe odchyłki od wartości teoretycznych (np. 1,45V zamiast 1,5V) mogą tu być kwestią tolerancji oporników i LM317 i raczej są nie istotne.



    _jta_ wrote:
    A skąd różnica między Vbat i Vout? Taki duży opór połączeń? Czy może pomyliłeś Vout z Vin?


    Jeśli dobrze rozumiem autora wątku to ta różnica, o której mówisz to po prostu napięcie na tym dolnym oporniku 1,1Ω gdzie płynie prąd ładowania. Czyli ok.


    tobiexe wrote:
    Czy ogniwo w tym momencie jest w pełni naładowane?


    Możliwe że jest naładowane.

    Ten tu układ, który zrobiłeś jest uproszczoną ładowarką, gdzie zrealizowane są tylko ograniczenia prądowe i napięciowe a cały algorytm ładowania polega tylko przyjęciu założeń.
    Że ładujesz "puste" ogniwo prądem nie większym niż 0,1C przez 15h i nie przekraczasz 1,5V.

    I tu nie masz takiego kryterium jak w rozbudowanych ładowarkach do Ni-MH gdzie wykrywa się moment w którym uznaje się ładowanie za skończone, za pomocą kryterium tzw. -ΔV i wzrostu temperatury. Ale zwykle w takich ładowarkach z tą detekcją są użyte dużo większe prądy niż 0,1C (np. 0,5C czy 1C), tak że tam sytuacja jest bardziej krytyczna dla ogniw bo przeładowanie takimi sporymi prądami może je uszkodzić.
    Zresztą metoda detekcji ΔV (łapania momentu gdy napięcie spada pomimo dostarczanego prądu) przy ładowaniu małymi prądami rzędu 0,1C nie zadziała:
    Ładowarka ogniwa NI-MH 1,2V




    Ale co ciekawe, zetknąłem się z algorytmem firmy Schaffler do ładowania baterii Ni-MH w ciężkich warunkach kolejowych, z zaznaczeniem że przedłuża życie baterii względem standardowego forsownego ładowania. I wydaje się że Twój układ akurat do tego algorytmu pasuje.

    Pomijając niuanse, algorytm Schafflera to ładowanie prądem 0,2C do napięcia 1,4V na ogniwo. Dalej ładowanie 0,1C do 1,45V i od tego momentu praca czysto napięciowa. Czyli napięcie nie wzrasta powyżej 1,45V.
    Za kryterium naładowania 100% w tym algorytmie uważa się moment spadku prądu (ciągle przy stabilizacji na te 1,45V) do wartości 0,05C. I wtedy albo wyłącza się całkowicie ładowanie albo podaje prąd 0,005C jako podtrzymujący.

    Czyli u Ciebie jeśli stosujesz 0,1C (te początkowe 0,2C z algorytmu Schafflera skraca tylko ładowanie, ale jest niekonieczne) i masz próg 1,45V to zgodnie z tym algorytmem w stanie 100% naładowania będziesz jeśli prąd spadnie u Ciebie do 0,05C czyli konkretnie 0,25A.

    Jeśli zastosujesz to kryterium to nie musisz wtedy trzymać się wymogu że koniecznie musisz ładować ogniwo "puste" jak wtedy kiedy stosujesz tylko regułę 0,1C/15h. Bo algorytm Schafflera działa dla ogniw o różnym stopniu wstępnego naładowania.

    A tu w tym przypadku jeśli stwierdziłeś że na ogniwie jest 1,45V a prąd miałeś 0,11A to opierając się na kryterium z algorytmu Schafflera, osiągnąłeś 100% naładowania (nawet "z czubkiem").


    Tu dołączam szczegółowy opis tego algorytmu, bo moim zdaniem wart zainteresowania:
  • #9
    _jta_
    Electronics specialist
    Bardzo ładnie to opisałeś. Jedno uzupełnienie: -ΔV dotyczy tylko ładowania dużym prądem - wtedy występuje spadek napięcia po naładowaniu, przy małym prądzie ładowania go nie ma.

    Wygląda na to, że ten układ może ładować w sposób zbliżony do algorytmu Schafflera (kwestia doboru parametrów) - poza tym, że (1) zmniejszanie prądu jest płynne i przy nieco wyższym napięciu, i (2) brak wyłączenia ładowania / przejścia na ładowanie podtrzymujące po zmniejszeniu prądu do 0.05C.
  • #10
    rb401
    Level 38  
    _jta_ wrote:
    Jedno uzupełnienie: -ΔV dotyczy tylko ładowania dużym prądem - wtedy występuje spadek napięcia po naładowaniu, przy małym prądzie ładowania go nie ma.


    Pisałem już o tym wyżej, nawet dałem wykres gdzie widać jak przy małym prądzie ta "górka" detekcyjna się spłaszcza. Ale to i tak nie istotne bo tu omawiamy taki układ jaki jest u autora.

    _jta_ wrote:
    poza tym, że (1) zmniejszanie prądu jest płynne i przy nieco wyższym napięciu, i (2) brak wyłączenia ładowania / przejścia na ładowanie podtrzymujące po zmniejszeniu prądu do 0.05C.


    Ten algorytm Schafflera (a szczególnie końcowa część i stwierdzanie naładowania 100%) jest uderzająco podobny do algorytmu ładowania Li-Ion (oprócz wartości liczbowych).
    Tyle że tu akurat w realizacji kolegi tobiexe, wymaga małego współuczestnictwa użytkownika (czyli wyjęcia ogniwa jeśli prąd spadnie gdzieś do mniej niż 0.05C). Ale przypadkiem wyszła ta wartość 1,45V, tak że tu już układ nie wymaga regulacji do algorytmu Schafflera.
    Ale można by oczywiście wymyślić do tego automatykę ale ten skrajnie prosty układ się skomplikuje.
    Inna sprawa że ja tego algorytmu nie testowałem i polegam tylko na tym co opublikowała ta firma. Jednak wygląda na poważną.
  • #11
    tobiexe
    Level 9  
    rb401 wrote:
    Odnoszę wrażenie że Twoje wartości jeśli użyć oznaczeń węzłów j/w:
    Vbat=1,45V to Ubd
    Vout=1,64V to Ubm
    Vref=1,24V to Ubc

    Pomiary są prawidłowo odczytane, według oznaczonych węzłów.
    Podłączyłem jeszcze raz, naładowane, na dłuższy czas ogniwo by dokonać pomiarów. Oto one:
    I=0,15A; Ubd=1,47; Udm=0,17V; Ubm=1,67. Plus spadek napięcia na amperomierzu 0,03V czyli Ubd=1,5V.
    Wyniki różnią się nieco od poprzednich. Cały układ jest zmontowany na "pająka". Miernik prądu jest cały czas podłączony. Ogniwo ładuje się przewodami podłączonymi "na styk" do ogniwa. Gdy podłączyłem ogniwo przez koszyk prąd ładowania nagle się zmniejszył. Być może są to właśnie opory połączeń kabelków koszyka baterii. Ładowanie i pomiary były dokonywane bez koszyka.
    rb401 wrote:
    (...)w stanie 100% naładowania będziesz jeśli prąd spadnie u Ciebie do 0,05C czyli konkretnie 0,25A.(…)a prąd miałeś 0,11A to opierając się na kryterium z algorytmu Schafflera, osiągnąłeś 100% naładowania

    Czyli ogniwo naładowane prawidłowo. W załączniku dokumentacja ogniwa, które ładuje.
  • #12
    _jta_
    Electronics specialist
    "Być może są to właśnie opory połączeń kabelków koszyka baterii" - spotykałem się z tym, że styki koszyka baterii miały opór około 1 oma, może masz podobny?

    Jeśli opornik, przez który płynie prąd ładowania, ma 1.1 oma, to Udm wskazuje na prąd 0.154A; trochę się nie zgadzają napięcia, powinno być Ubm=Ubd+Udm.
  • #13
    rb401
    Level 38  
    tobiexe wrote:
    Wyniki różnią się nieco od poprzednich.


    Wyniki będą trochę różne bo zależą od różnych czynników związanych z ogniwem, typu historia rozładowania, początkowy stan naładowania itp. . Normalne.


    _jta_ wrote:
    Jeśli opornik, przez który płynie prąd ładowania, ma 1.1 oma, to Udm wskazuje na prąd 0.154A; trochę się nie zgadzają napięcia, powinno być Ubm=Ubd+Udm.

    Też to widzę. Może to po prostu kwestia przepinania obwodu pomiędzy pomiarami i związanej z tym zmiany oporów połączeń.


    tobiexe wrote:
    Plus spadek napięcia na amperomierzu 0,03V czyli Ubd=1,5V.


    Lepiej by było, moim zdaniem, porobić kilka pomocniczych pomiarów (prąd ogniwa i Udm) kiedy ogniwo jest w miarę puste (praca prądowa) i wyliczyć sobie mnożnik (tak po prawdzie równy rzeczywistej oporności tego opornika 1,1Ω), tak by prąd ładowania wyliczać z napięcia Udm a nie przez wpinanie amperomierza bo to zakłóca jak widać.
    Dokładny pomiar samego tego opornika poza układem praktycznie może być trudny, bo oporność kabelków itp. .
    Tam na tym oporniku, poza prądem ładowania, dochodzi jeszcze prąd tych dwóch górnych oporników ale to stała wartość koło 4mA. Tak że można spokojnie ten mały prąd zaniedbać w obliczeniach, jeśli oceniasz prądy rzędu 250mA.

    tobiexe wrote:
    Czyli ogniwo naładowane prawidłowo.


    Powiedzmy że jest. By z całą pewnością to potwierdzić trzeba by było po prostu przeprowadzić rozładowanie w kontrolowanych warunkach z pomiarem ładunku.
    Tu sprawa polega na zaufaniu firmie Schaffler co do jej algorytmu i kryterium określania w nim momentu 100%.

    Możesz też sobie skorygować próg napięciowy z 1,5V na 1,45V, zmniejszając nieco wartość tego opornika 61Ω o wartość jakiś 2Ω (np. dokładając do niego równolegle drugi opornik 1,6kΩ), by układ był bardziej zgodny z w/w algorytmem.
  • #14
    tobiexe
    Level 9  
    rb401 wrote:
    Możesz też sobie skorygować próg napięciowy z 1,5V na 1,45V, zmniejszając nieco wartość tego opornika 61Ω o wartość jakiś 2Ω

    Najbliżej jest 51Ω da nam napięcie 1,46V. Ze wzorów na napięcie stabilizatora Uout=1,25V(1+R2/R1); 59Ω wyjdzie 1,499V. Rezystor 1,1Ω to dwa połączone równolegle rezystory.
  • #15
    rb401
    Level 38  
    tobiexe wrote:
    Najbliżej jest 51Ω da nam napięcie 1,46V. Ze wzorów na napięcie stabilizatora Uout=1,25V(1+R2/R1); 59Ω wyjdzie 1,499V.


    No faktycznie. Pomyliłem się w liczeniu robiąc skrót myślowy we wzorze :oops: .
    Ale najważniejsze że Ty radzisz sobie sam już w temacie.
  • #16
    _jta_
    Electronics specialist
    Trzeba jeszcze wziąć pod uwagę fakt, że LM317 może mieć odchylenie od nominalnego napięcia - nota katalogowa podaje zakres od 1.2V do 1.3V; jeśli będzie miał 1.3V, to z opornikami 300 i 36 omów uzyska się 1.456V, a jak 1.2V, to z 300 i 62 tylko 1.448V - wypada liczyć się z tym, że trzeba będzie dobierać, coś z 36,39,43,47,51,56,62.
  • #17
    tobiexe
    Level 9  
    _jta_ wrote:
    Trzeba jeszcze wziąć pod uwagę fakt, że LM317 może mieć odchylenie od nominalnego napięcia - nota katalogowa podaje zakres od 1.2V do 1.3V;

    Napięcie Uref w moim przypadku wynosi 1,24V.
    rb401 wrote:
    Możesz też sobie skorygować próg napięciowy z 1,5V na 1,45V
    Skorygowałem do 51? czyli Ubm=1,46V gdzie bez podłączonego ogniwa Ubd=1,45V. W tej konfiguracji rozpocząłem ładowanie.
    rb401 wrote:
    Lepiej by było, moim zdaniem, porobić kilka pomocniczych pomiarów (prąd ogniwa i Udm) kiedy ogniwo jest w miarę puste (praca prądowa) i wyliczyć sobie mnożnik (tak po prawdzie równy rzeczywistej oporności tego opornika 1,1?), tak by prąd ładowania wyliczać z napięcia Udm a nie przez wpinanie amperomierza bo to zakłóca jak widać.

    Wykonałem pomiar prądu poprzez spadek napięcia na rezystorze 1,1?. Przy rozładowanym ogniwie do około 1V, przez pierwsze minuty, Udm=0,640V gdzie obliczony prąd wyniósł I=0,58A. Po około 1h ustabilizował się do Udm=0,6V; obliczony I=0,545A; Ubm=1,96; Ubd=1,36V. I powoli spada. Po 5h Udm=0,578V gdzie obliczony I=0,525A; Ubm=1,99V;Udb=1,41V. Po 10h Udm=0,170V obliczony I=0,155A; Ubd=1,45;Ubm=1,62V.
    Czy ogniwo jest naładowane po 10h? Kontynuuję ładowanie. Sprawdzę czy prąd zmniejszy się jeszcze bardziej. Nie używam koszyka do baterii ponieważ styki posiadają opór. Wpinanie w obwód amperomierza tak jak pisałeś zakłóca pomiar, sondy pomiarowe też posiadają rezystancję. Po 15h prąd wynosi Udm=0,08V;I=0,073A;Ubm=1,53V;Ubd=1,45V.
  • #18
    rb401
    Level 38  
    tobiexe wrote:
    Wykonałem pomiar prądu poprzez spadek napięcia na rezystorze 1,1?.


    Tak na marginesie.
    Aby zbyt dużo Ci nie mieszać i zamknąć wątek tego opornika 1,1Ω, chciałbym wyjaśnić o o co mi chodziło kiedy pisałem o wyznaczeniu tego przelicznika. Po prostu nie wiem jakie oporniki tam użyłeś o jakiej tolerancji oporności.
    A jak chodzi ogólnie o pomiar pośredni (wyliczeniowo z prawa oma) prądu przez spadek na oporności, trzeba mieć na względzie że dokładność pomiaru prądu tą metodą będzie taka jak dokładnie znamy wartość tej oporności. A ponieważ trudno się mierzy dokładnie takie małe oporności omomierzem w multimetrze to zaproponowałem "kalibrację". Ale jeśli użyłeś w miarę dokładnych oporników to nie masz się co przejmować. Tym bardziej że jak widzisz stabilizacja prądu w tym układzie jest taka sobie bo zrealizowana w prosty sposób na jednym tranzystorze. Ale też ani ogniwo ani Ty nie potrzebujecie tu zbytniej precyzji.


    tobiexe wrote:
    Czy ogniwo jest naładowane po 10h?


    To trudno określić choćby z powodu że nie wiadomo z jakiego punktu startujesz jeśli chodzi o ładunek w ogniwie. W dokumentacji ogniwa, którą tu załączyłeś, jest wykres gdzie jest widoczne że punktem uznanym za ogniwo puste jest akurat napięcie 1V przy obciążeniu prądem 0,2C. Dlatego, jak już pisałem, ustalenie stanu naładowania wymagało by pomiaru rzeczywistej pojemności, choćby takim gadżecikiem jak tu opisany:

    https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=17058436#17058436

    Inna sprawą jest, że nawet jeśli zmierzy się pojemność, to tak nie wiadomo do czego ją odnieść. W dokumentacji tego Twojego ogniwa, importer-sprzedawca (bo tylko on firmuje te no-name ogniwa marką własną) opisuje pojemność określeniem Typical capacity: 5000mAh. Nawet jeśli by to było zgodne z rzeczywistością (choć sprzedawcy ogniw lubią popadać w nieuzasadniony optymizm w tej kwestii) to i tak nic nie mówi o pojemności konkretnego egzemplarza, bo brak informacji o rozrzucie produkcyjnym, lub gwarantowanym minimum pojemności.

    tobiexe wrote:
    Kontynuuję ładowanie. Sprawdzę czy prąd zmniejszy się jeszcze bardziej.


    Możliwe że się zmniejszy. Ale to dużo nie mówi bo musisz wziąć pod uwagę, że w tym typie ogniwa od pewnego momentu, prąd ładujący choć wpływa do ogniwa, przestaje być "produktywny". Czyli już nie zwiększa stopnia naładowania, tylko powoduje wydzielanie gazów itp. . Dlatego tu cała sztuką jest wyczucie tego momentu, jak np. w ładowarkach szybkich algorytm detekcji ΔV lub gwałtownego wzrostu temperatury.
    A tu akurat przy łagodnych warunkach prądem 0,1C polegamy na doświadczeniu firmy Schaffler co do określenia tego momentu.