13 марта 2013 в 16:37

Тренировка NiMH аккумуляторов. Есть ли смысл?

Пролог



Началось все с того, что моя фотомыльница наотрез отказалась работать со свежевынутыми из зарядного устройства аккумуляторами — четырьмя NiMH размера АА. Их бы взять, как обычно, да выбросить. Но почему-то в этот раз любопытство возобладало над здравым смыслом (или это может жаба подала голос), и захотелось понять — а нельзя ли из этих батарей выдавить еще хоть чего-нибудь. Фотоаппарат весьма охоч до энергии, но ведь есть и более скромные потребители — мышки беспроводные или клавиатуры, например.

Собственно параметров, интересных потребителю, два — емкость батареи и ее внутреннее сопротивление. Возможных манипуляций тоже немного — разрядить да зарядить. Измеряя в процессе разряда ток и время можно оценить емкость аккумулятора. По разнице напряжения аккумулятора на холостом ходу и под нагрузкой можно оценить внутреннее сопротивление. Повторив цикл разряд-заряд (т. е. выполнив «тренировку») несколько раз, можно понять имеет ли вообще это действо смысл.

Соответственно сформировался такой план — делаем управляемые разрядник и зарядник с возможностью непрерывного измерения параметров процесса, производим над измеренными величинами простые арифметические действия, повторяем процесс нужное число раз. Сравниваем, делаем выводы, выбрасываем наконец аккумуляторы.

Измерительный стенд

Сплошной сборник велосипедов. Состоит из аналоговой части (на схеме ниже) и микроконтроллера. В моем случае интеллектуальной частью был ардуино, хотя это совершенно не принципиально — лишь бы был необходимый набор входов/выходов.



Сделан стенд был из того, что нашлось в радиусе трех метров. Если кому-то захочется повторить, то вовсе не обязательно в точности следовать схеме. Выбор параметров элементов может быть весьма широким, далее я это немного прокомментирую.

Блок разряда представляет собой управляемый стабилизатор тока на ОУ IC1B (LM324N) и полевом транзисторе Q1. Транзистор практически любой, лишь бы хватило допустимых напряжений, токов и рассеиваемой мощности. А они тут все небольшие. Резистор обратной связи и одновременно часть нагрузки (вместе с Q1 и R20) для аккумулятора — R1. Его максимальная величина должна быть такой, чтобы обеспечить требуемый максимальный ток разряда. Если исходить из того, что разряжать аккумулятор можно до 1 В, то для обеспечения тока разряда, например, в 500 мА резистор R1 не должен быть больше 2 Ом. Управляется стабилизатор трехбитным резистивным ЦАП (R12-R17). Тут расчет такой — напряжение на прямом входе ОУ равно напряжению на R1 (которое пропорционально току разряда). Меняем напряжение на прямом входе — меняется ток разряда. Для масштабирования выхода ЦАП к нужному диапазону имеется подстроечный резистор R3. Лучше, чтобы он был многооборотный. Номиналы R12-R17 могут быть любыми (в районе десятков килоом), главное, чтобы выполнялось соотношение их величин 1/2. Особой точности от ЦАП не требуется, поскольку ток разряда (напряжение на R1) в процессе измеряется непосредственно инструментальным усилителем IC1D. Его коэффициент усиления равен K=R11/R10=R9/R8. Выход подается на АЦП микроконтроллера (А1). Изменением номиналов R8-R11 усиление можно подогнать к желаемому. Напряжение на батарее измеряется вторым усилителем IC1C, K=R5/R4=R7/R6. Зачем управление током разряда? Дело тут в основном вот в чем. Если разряжать постоянным большим током, то ввиду большого внутреннего сопротивления у изношенных батарей минимально допустимое напряжение 1 В (а другого ориентира для прекращения разряда нет) будет достигнуто раньше, чем аккумулятор на самом деле разрядится. Если разряжать постоянным малым током, то процесс растянется слишком надолго. Поэтому разряд ведется ступенчато. Восьми ступеней мне показалось достаточно. Если охота больше/меньше, то можно изменить разрядность ЦАП. Кроме того, включая-выключая нагрузку, можно прикинуть внутреннее сопротивление аккумулятора. Думаю, что дальнейших пояснений алгоритм работы контроллера при разряде не требует. По окончании процесса Q1 оказывается заперт, батарея полностью отключается от нагрузки, а контроллер включает блок заряда.

Блок заряда. Тоже стабилизатор тока, только неуправляемый, зато отключаемый. Ток задается источником опорного напряжения на IC2 (2.5 В, точность 1% согласно даташиту) и резистором R21. В моем случае ток заряда был классическим — 1/10 от номинальной емкости аккумулятора. Резистор обратной связи — R20. Источник опорного напряжения можно использовать любой другой — на ваш вкус и наличие деталей. Транзистор Q2 работает в более жестком режиме, чем Q1. Ввиду заметной разницы между напряжением Vcc и напряжением батареи на нем рассеивается заметная мощность. Это плата за простоту схемы. Но радиатор спасает положение. Транзистор Q3 служит для принудительного запирания Q2, т. е. для отключения блока заряда. Управляется сигналом 12 микроконтроллера. Еще один источник опорного напряжения (IC3) нужен для работы АЦП контроллера. От его параметров зависит точность измерений нашего стенда. Светодиод LED1 — для индикации состояния процесса. В моем случае он не горит в процессе разряда, горит при заряде и мигает, когда цикл закончен.
Напряжение питания выбирается таким, чтобы обеспечить открытие транзисторов и работу их в нужных диапазонах. В данном случае у обоих транзисторов напряжение отпирания затвора довольно велико — порядка 2-4 В. Кроме того, Q2 «подперт» напряжением батареи и R20, поэтому отпирающее напряжение на затворе стартует примерно от 3,5-5,5 В. В свою очередь LM323 не может поднять напряжение на выходе выше Vcc минус 1,5 В. Поэтому Vcc должно быть достаточно велико и в моем случае равно 9 В.

Алгоритм управления зарядом ориентировался на классический вариант контроля момента начала падения напряжения на батарее. Однако на деле оказалось все не совсем так, но об этом позже.
Все измеряемые величины в процессе «исследований» писались в файл, потом производились расчеты и строились графики.

Думаю, что с измерительным стендом все ясно, поэтому перейдем к результатам.

Результаты измерений

Итак, имеем заряженные (но неработающие) батареи, которые разряжаем и измеряем запасенную емкость, а заодно и внутреннее сопротивление. Выглядит это примерно так.



Графики в осях время, часы (X) и мощность, Вт (Y) для лучшей и худшей из батарей. Видно, что запасенная энергия (площадь под графиками) существенно разная. В числовом выражении измеренная емкость аккумуляторов составила 1196, 739, 1237 и 1007 мА*ч. Не густо, учитывая, что номинальная емкость (которая указана на корпусе) — 2700 мА*ч. И разброс весьма велик. А что же внутреннее сопротивление? Оно составило 0.39, 0.43, 0.32 и 0.64 Ом соответственно. Ужасно. Понятно почему мыльница отказывалась работать — батареи просто не в состоянии отдать большой ток. Ну что ж, приступим к тренировке.

Цикл первый. Опять отдаваемые мощности лучшей и худшей батареи.



Прогресс виден невооруженным глазом! Числа это подтверждают: 1715, 1444, 1762 и 1634 мА*ч. Внутреннему сопротивлению тоже похорошело, но очень неравномерно — 0.23, 0.40, 0.1, 0.43 Ом. Казалось бы есть шанс. Но увы — дальнейшие циклы разряда/заряда ничего не дали. Значения емкости, как и внутреннего сопротивления, изменялись от цикла к циклу в пределах около 10%. Что лежит где-то недалеко от пределов точности измерений. Т.е. длительная тренировка, во всяком случае для моих аккумуляторов, ничего на дала. Но зато стало ясно, что батареи сохранили больше половины емкости и вполне еще поработают на малом токе. Хоть какая-то экономия в хозяйстве.

Теперь хочу немножко остановиться на процессе заряда. Возможно мои наблюдения будут полезны кому-то, кто соберется конструировать интеллектуальное зарядное устройство.
Вот типичный график заряда (слева шкала напряжения на аккумуляторе в вольтах).



После начала заряда наблюдается провал напряжения. В разных циклах он может быть больше или меньше по глубине, немного разной длительности, иногда отсутствует. Далее в течение примерно 10 часов идет равномерный рост и затем выход почти на горизонтальное плато. Теория гласит, что при малом токе заряда не наблюдается падение напряжения в конце заряда. Я набрался терпения и все-таки дождался этого падения. Оно мало (на графике на глаз почти и не заметно), ждать его нужно очень долго, но оно всегда есть. После десяти часов заряда и до спада напряжение на батарее хоть и растет, но крайне незначительно. На итоговом заряде это почти не сказывается, каких-то неприятных явлений типа нагрева батареи не наблюдается. Таким образом при конструировании слаботочных зарядных устройств снабжать их интеллектом никакого смысла нет. Достаточно таймера на 10-12 часов, причем никакой особой точности при этом не требуется.

Однако такая идиллия была нарушена одним из элементов. Примерно через 5-6 часов заряда возникали весьма заметные колебания напряжения.



Сначала я было списал это на конструктивный недостаток моего стенда. На фото видно, что собрано все было навесным монтажом, а контроллер подключен довольно длинными проводами. Однако повторные эксперименты показали, что такая ерунда стабильно возникает с одним и тем же аккумулятором и никогда не возникает с другими. К своему стыду причину такого поведения я не нашел. Тем не менее (и на графике это хорошо видно) среднее значение напряжение растет так, как надо.

Эпилог


В итоге имеем четыре аккумулятора, которым точными научными методами найдена экологическая ниша. Имеем разочарование в возможностях процесса тренировки. И имеем один необъясненный эффект, возникающий при заряде.
На очереди батарейка побольше — автомобильный аккумулятор. Но там нагрузочные резисторы на пару порядков мощнее надо. Где-то едут по просторам Евразии.

На этом все. Спасибо за внимание.
@murzin
карма
27,0
рейтинг 0,0
Самое читаемое

Комментарии (45)

  • +5
    Такие зарядники уже есть — LaCrosse BC-700 называется, где-то даже было описание на хабре. Правда мне им особо не вышло восстановить емкость — после нескольких циклов максимум процентов 25 на старых аккумах добавлялось. Это были действительно сильно старые NiMH 2000 mAh аккумы, имели реальную емкость 200-500 mAh.
    • +1
      Я писал про такую: Умная зарядка Kweller X-1800
      • 0
        С зарядками этого типа больше проблем, чем с technoline. Был один случай несрабатывания термодатчика и одновременно не была получена остановка зарядки. В результате тотальное уничтожение зарядки и аккумуляторов.
        • 0
          Как раз недавно Technoline приобрёл. Доволен. От дерьмовеньких аккумов чуда ждать не стоит, но всё же некоторые, которые выкинуть хотел (случайно нашел) удалось восстановить почти до номинала. Да и так на порядок приятнее, чем «тупая» зарядка, хотя-бы тем, что контролируешь процесс.
        • +1
          Положил зарядку в металлическую чашку на всякий случай.
          • –1
            … потом зарыл на десять метров под землю и залил бетоном. Теперь не могу вспомнить где.
      • 0
        И не только вы. По первой я выписал именно LaCrosse. Потом в вашей статье комментарии писал. Не знаю как восстанавливается ёмкость, но то, что хотели выкинуть на помойку на работе (1-2 года им было) вполне после восстановления завелись и до сих пор работают у меня в мышках беспроводны и по мелочам.
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • 0
      Самодельный вариант получается гибче. Здесь и переменный ток разряда есть, а у LaCrosse постоянный. И LaCrosse после разряда сразу уходит на заряд, а, если не ошибаюсь, NiMH аккумуляторы перед длительным хранением рекомендуют разряжать.
      • 0
        >если не ошибаюсь, NiMH аккумуляторы перед длительным хранением рекомендуют разряжать.

        Меня тут как-то раз очень сильно и с применением спецсредств (минусов в карму :) ) убеждали, что, согласно _последним_ данным ВЦСПС, таки лучше хранить заряженными даже никель. Несмотря на то, что НАСА их разряжает и даже коротит для верности. Убедили :). У НАСА всё же своя специфика.
        • 0
          Так литий же на 70% заряженными хранят. Никель разряжают (но вроде не в хлам, а до безопасного уровня)
          • 0
            Ну, вот последние тенденции говорят о том, что и никель надо хранить примерно так же.
            Раньше, я читал, рекомендовали разряжать. Конкретно НАСА для длительного хранения разряжала прямо до нуля, после чего коротила выводы для совершенной надёжности.
      • 0
        У LaCrosse отдельно можно выбрать заряд, разряд, тест емкости (1 цикл заряд-разряд-заряд) или тренировку (несколько циклов). В продвинутой версии для каждого аккума отдельно, в попроще — только для всех сразу. Токи заряда и разряда тоже отдельно настраиваются.
    • +2
      Подтверждаю — LaCrosse действительно восстанавливает убитые акки — пару раз восстанавливал — до сих пор работают. Стоящая вещь!
    • 0
      В данном случае мой интерес был скорее академическим, чем практическим. Охота было «пощупать» процесс в разных вариантах. Готовый зарядник это не позволяет.
      • 0
        Да нормальный интерес. Появится время — тоже сконструирую себе, хоть и купил уже (купил из-за того, что жаба задушила выкидывать аккумы, отработавшие максимум десяток циклов)
        За одно и для лития приспособлю.
  • –3
    Offtop
    Я надеюсь, что под «Их бы взять, как обычно, да выбросить» подразумевалось сдать их в утилизацию?
    • +5
      Как и где сдавать в утилизацию?
      А то я свинцовый автомобильный акк оставил ненадолго у подъезда и, судя по всему, он сам очень быстро сдался в утилизацию.
      • 0
        Свинец не залеживается, его в переплавку сдают. А вот всякие пальчиковые, если уж другого варианта нет, то можно в пластиковую бутылку закупорить, потом наши праправнуки будут на свалках ресурсы себе добывать.
        • +1
          Главное — без фанатизма. От пластиковой бутылки через год-другой только ошмётки останутся :) Так что — в стеклянную посуду надо. Вот стекло, если не разбить, это на многие столетия. А пластик — быстро окисляется и разрушается.
          • 0
            При каких условиях за год-другой? У меня в кладовке стоят PET-бутылки с разными бензинами-керосинами уже лет 5, и ничего. Везде пишут, что период распада выброшенной на свалку пластиковой бутылки — 500 лет.
            • +1
              >При каких условиях за год-другой?

              На свежем воздухе под дождём и солнышком.

              >У меня в кладовке

              В кладовке — условия щадящие :) Ни ультрафиолета, ни мороза…

              >Везде пишут, что период распада выброшенной на свалку пластиковой бутылки — 500 лет.

              Достаточно один раз посмотреть, во что в лесу превращается пластиковая бутылка, выброшенная год-два назад, чтобы больше не покупаться на такие штампы :)

              Даже толстый листовой полиэтилен быстро становится хрупкий, ломается на мелкие куски. Остальные пластики химически более активные и разрушаются быстрее. Фторопласт, правда, химически очень стойкий, может очень долго прожить, но, во-первых, из него бытовые бутылки не делают, во-вторых, даже он разрушается. Чисто механически, от температурного цикла. Фторопластовая изоляция проводов через несколько лет на свежем воздухе уже начинает шелушиться и крошиться.

              Вот стекло — это да. Столетиями может храниться, если механически не будет разрушено.
              • 0
                Достаточно один раз посмотреть, во что в лесу превращается пластиковая бутылка, выброшенная год-два назад, чтобы больше не покупаться на такие штампы :)

                Это уже экология такая. А во сферической чистой природе в вакууме — 500 лет!
              • 0
                Это скорее всего от ультрафиолета. Если полиэтилен окажется хорошо закопанным в землю, то пролежит он долго.
      • –1
        Даже в нашем Ижевске уже появились пункты по приему энергосберегающих ламп и батареек. В более крупных городах, мне кажется, уже давно есть такие организации. Для конкретного города — загуглите.
        • +1
          Как правило, эти пункты отвозят лампы-батарейки не на утилизацию, а на спец-полигон опасных отходов. Но есть и которые именно на утилизацию. Но очень мало.
          • +1
            Может быть, но в любом случае это лучше, чем загрязнять все свалки.
            • +1
              Да, разумеется.

              У меня на работе пол-ящика стола забито батарейками и я даже нашёл контору (частную!) которая даже вроде бы посылает именно на утилизацию (за свои кровные!!) по личной инициативе, только пока не доехал до них. А вот широко разрекламированные «официальными» экологами от местной администрации пункты как раз на полигон.
              • 0
                Поделитесь контактами конторы. Я весь завален батарейками. Не знаю, куда их складывать уже.
                • +2
                  Ну же… Вы же не обманули нас?
                • 0
                  Извините, уезжал. Эта контора в Томске, не знаю чем оно вам может помочь :).
                  Загляните сюда — freepower.pro/ свяжитесь с ними, может чего хорошего расскажут. Они говорили, что посылают батарейки в Питер, там находится предприятие по утилизации. Возможно поделятся контактом.
      • +1
        • 0
          В Киеве знаю Eco Buffet (eco-buffet.com) поставили коробки для такого рода изделий у себя в кафешках по городу, потом централизованно их отвозят куда-то во Львов, там есть какая-то именно перерабатывающая их фирма.
          • 0
            в отеле ibis в киеве видел еще контейнер для батареек
      • –1
        Кошкама сама самоубилась
      • 0
        Ну их то скупают…
    • 0
      У нас в регионе с этим дела обстоят следующим образом (отрывки цитат местных новостей нынешнего года):
      -Три недели назад в нашем городе стартовала акция по сбору бытовых элементов питания, — рассказывают активисты проекта «ЭкоАнгарск». – Мы установили девять контейнеров в местах продажи батареек и аккумуляторов – магазинах, часовых салонах и на рынках.

      И вот спустя несколько недель уже можно говорить о первых результатах: собраны 3 килограмма разных батареек, а именно 243 штуки гальванических элементов и 44 сотовых аккумулятора.

      -Батареи сотовых телефонов, а также батарейки «монетки» мы отправим подмосковной фирме, — рассказывают активисты. – Они у них вызывают интерес. А остальное пока планируем отправить на заводы, изготовителям.
      • +2
        offtopic: представил себе аккумулятор от Белаза, отправляемый производителю активистами :-)
  • 0
    ИМХО тренировка — только психологический фактор. Сравнивая графики разрядов АКБ которые заряжались и разряжались неизвестно как и графики показательных разрядов/зарядов разными токами, можно найти 1001 причину за тренировку. Но есть и доля истины — при правильном, для данного типа элемента, графике разряда/заряда, емкость как минимум будет меньше деградировать со временем, а может и возрасти(но не выше номинала, конечно)(по сравнению с аналогичными элементами без соблюдения этих правил).
    • 0
      Практическая сторона тренировки есть: после неё «нерабочий» с точки зрения бытовой техники аккумулятор оказывается «рабочим».
  • 0
    Я использую Maha MH-C9000. Тренирует малым током, можно задавать ток заряда и разряда. Довольно интересный и хороший девайс.
  • 0
    В статье не нашел упоминания стоимости используемых компонент.
    • 0
      Все компоненты из разной разобранной электроники. Слепил из того, что было под рукой. Поэтому и схемотехника может слегка странновата. Автономного источника питания вообще не было — запитывал от лабораторного.
      Если считать по стоимости новых компонент, то самыми дорогими, вероятно, будут полевые транзисторы. У меня они имеют явно избыточные параметры (вынуты из импульсных БП). Поэтому в условиях необходимости покупки элементов повторять схему один-в-один будет нерационально.
      • 0
        Вот вам и идея для следующего поста:
        самодельное умное зарядное устройство — работа над ошибками оптимизацией.

        Очень хотел бы подобный девайс, но готовый покупать — неинтересно, а на большую переработку схемы у меня сил не хватит — всё-таки не схемотехник.
        • 0
          Я слегка думал над этим вопросом. На основании своих экспериментов пока пришел к таким выводам. Управляемый разряд — самое полезное в деле обслуживания аккумуляторов. Реализовать его несложно, нужно лишь контролировать достижение минимального порога напряжения и переключать ступени разрядного тока. Заряд малым (1/10 от номинала) током еще проще. В итого ничего интеллектуального не получается.
          Хотя конечно, сконструировать простой и удобный в использовании девайс (из подручных материалов), хочется. Может дойдут руки.
          Но пока первым в очереди «тренировщик» автомобильного аккумулятора. Там и проблем прогнозируется больше. Начиная от гораздо больших мощностей разряда и заряда и заканчивая умением работать без присмотра полностью в автоматическом режиме.

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.