Проектирование конкурентоспособных изделий

 

По таблице видно, что  разрабатываемое нами автоматическое зарядное устройство по многим параметрам превосходит существующие аналоги, а низкая цена предполагает, что  наше устройство займет свою ценовую нищу на рынке интеллектуальной зарядной техники.

2.3Поиск предприятия

Для производства интеллектуального  зарядного устройства необходимо оборудование для изготовление печатных плат, оборудование для монтажа радиоэлементов на печатные платы, оборудование для сборки изделия и контрольно-измерительные приборы, необходимые для настройки и контроля параметров изделия.

Технология изготовления прибора включает в себя пять основных этапов:

1. Изготовление печатных плат;
2. Изготовление корпуса;
3. Монтаж элементов на печатные платы;
4. Установка готовых печатных плат в корпус;
5. Настройка и контроль готового изделия.

Таблица 2.3 Трудоёмкость изготовления блока

 

Наименование  технологических операций	Должность	Кол-во рабочих чел.	Трудоём-кость операции, час.
1. Изготовление  печатных плат	Изготовитель печатных плат	1	3
2. Изготовление  корпуса	Слесарь механических работ 2 разр.	1	5
3. Монтаж  элементов на печатные платы	Монтажник РЭА  3 разр.	1	6
4. Установка  печатных плат в корпус	Слесарь сборщик РЭА 4 разр.	1	2
5. Настройка	Регулировщик 4 разр.	1	3

 

Из таблицы 2.3 видно, что  для изготовление блока приемлемо для малого предприятия.

 

 

 

 

 

 

3.Разработка конструкции

В  процессе  зарядки  аккумулятора  в  нем  происходят  химические  преобразования. Только  часть  поступающей  энергии  тратится  на  эти  преобразования,  другая  часть превращается в тепло. Можно  ввести понятие «КПД процесса зарядки  аккумулятора». Это та часть  энергии,  поступающей  от  зарядного  устройства,  которая  запасается  в  аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД  выше, при других –  ниже.  Тем  не  менее,  КПД  может  быть  довольно  высоким,  что  позволяет  производить зарядку  большими  токами  не  опасаясь  перегрева аккумулятора.  Химические  реакции, которые протекают в NiMH  аккумуляторе  при его зарядке,  являются  экзотермическими,  в отличие от NiCd аккумуляторов,  где они эндотермические. Это означает, что КПД зарядки NiMH  аккумуляторов ниже,  и они более горячие в процессе  зарядки.  Это требует более тщательного контроля процесса зарядки. Скорость  зарядки аккумулятора  зависит от  величины  зарядного тока.  Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C  для аккумулятора  емкостью 2500  мА/ч равен 2500  мА.  По  скорости  различают несколько видов зарядки: капельная зарядка (trickle charge), быстрая зарядка (quick charge) и ускоренная зарядка (fast charge). Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1C,  быстрая зарядка – током порядка 0.3C,  ускоренная  зарядка – током 0.5…1.0C.  На самом деле  принципиальных  отличий между быстрой и ускоренной  зарядкой  нет,  они отличаются  лишь предпочтительными методами  определения конца зарядки. Поэтому есть смысл разделять только два вида  зарядки:  капельная и быстрая. К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током,  большим 0.1C.  Принципиальным  отличием  капельной и быстрой зарядки является  то,  что при быстрой зарядке зарядное  устройство  должно автоматически заканчивать процесс,  пользуясь какими-то  критериями.  При капельной зарядке окончание процесса  можно не  детектировать,  а аккумулятор   может находится  в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго.

Капельная зарядка 

Вопреки существующему мнению, капельная  зарядка не способствует долгой жизни аккумуляторов. Дело  в  том,  что  при  капельной  зарядке  зарядный  ток  не  отключают  даже после того, как аккумулятор полностью зарядился. Именно поэтому ток выбирается малым. Считается,  что  даже  если  вся  энергия,  сообщаемая  аккумулятору,  будет  превращаться  в тепло,  при  столь  малом  токе  он  не  сможет  существенно  нагреться.  Для NiMH аккумуляторов,  которые значительно хуже  реагируют на  перезарядку,  чем NiCd,  ток капельного  заряда  рекомендуется не  более 0.05C.  Для аккумуляторов большей емкости значение  тока  капельной зарядки больше.  Это означает,  что в зарядном  устройстве, предназначенном для зарядки аккумуляторов большой емкости,  аккумуляторы  малой емкости будут сильно нагреваться, что сокращает срок их службы. Снижение тока капельной зарядки ведет к увеличению длительности зарядки сверх разумного. Аккумулятор большой емкости, установленный в зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости,  может вообще  никогда не  достичь своего  полного заряда,  так как с процессом заряда  будет конкурировать саморазряд.  Долго находясь  в таких условиях, аккумуляторы начинают деградировать, теряя емкость. При всем желании, надежно детектировать конец капельной зарядки невозможно. На низких  зарядных  токах профиль напряжения  плоский,  практически нет характерного максимума в конце зарядки.  Температура также растет  плавно.  Единственным  методом является ограничение процесса зарядки по времени. Однако при этом нужно знать не только точную емкость аккумулятора (которая зависит от возраста и состояния аккумулятора), но и величину его начального заряда. Исключить влияние начального заряда можно только одним способом – полностью разрядить аккумулятор перед зарядкой. А это еще больше удлиняет процесс зарядки и укорачивает жизнь аккумулятора,  которая определяется  количеством циклов заряд-разряда. Еще одной помехой при вычислении длительности капельной зарядки является низкий КПД этого процесса. Для капельной зарядки КПД не превышает 75%, более того,  КПД зависит от  многих  факторов,  в том числе от  температуры и состояния аккумулятора. 

Единственным  преимуществом  капельной  зарядки  является  простота реализации (без  контроля  конца  зарядки).  В  то  же  время  производители NiMH аккумуляторов не  рекомендуют пользоваться  капельной зарядкой.  И только  в самое последнее время производители аккумуляторов специально  отмечают,  что современные NiMH аккумуляторы не деградируют под воздействием длительной капельной зарядки.

Быстрая зарядка 

Большинство  производителей NiMH  аккумуляторов приводят  характеристики  своих аккумуляторов для случая  быстрой зарядки током 1C.  Хотя  иногда  можно встретить рекомендации не превышать ток 0.75C. Эти рекомендации связаны с опасностью открывания вентиляционных  отверстий аккумулятора  при быстрой зарядке в условиях  повышенной температуры окружающей среды. «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости  быстрого  заряда.  Считается,  что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8  В.  КПД  процесса  быстрой  зарядки  очень  высок (порядка 90%),  поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая  к аккумулятору  энергия начинает  превращаться  в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение. И хотя  для современных аккумуляторов взрыва,  скорее  всего,  не  последует, просто  откроются вентиляционные  отверстия  и часть содержимого аккумулятора  будет безвозвратно  утрачена.  Это точно не  пойдет  на  пользу  аккумулятору,  не  говоря  уже об изменении внутренней  структуры электродов  под воздействием  высокой температуры. Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора  очень важно зарядку вовремя прекратить.  К счастью, в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии, по которым зарядное устройство может это сделать.

Принципы зарядки  аккумуляторных батарей

Принципы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов во многом схожи – по этой причине современные зарядные устройства, как правило, поддерживают сразу оба типа. Методы же заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация заряжать током величиной "0,1С" означает, что аккумулятору ёмкостью 2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.

 Медленный заряд током 0,1C

 Этот метод основан  на том, что современные аккумуляторы  легко выдерживают перезаряд  (то есть попытку "залить" в них больше энергии, чем  аккумулятор может хранить), если  зарядный ток не превышает  величины 0,1C. Если ток превышает  эту величину, аккумулятор при  перезаряде может выйти из  строя.

 Соответственно, слаботочное  зарядное устройство не нуждается  в каком-либо контроле окончания  заряда: ничего страшного в избыточной  его продолжительности нет, аккумулятор  просто рассеет лишнюю энергию  в виде тепла. Соответствующие  зарядные устройства дёшевы и  весьма широко распространены. Для  зарядки аккумулятора достаточно  оставить его в таком ЗУ  на время не менее 1,6*C/I, где  C – ёмкость аккумулятора, I –  зарядный ток. Скажем, если мы  берём ЗУ с током 200 мА, то  аккумулятор ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно  зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36 минут, в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден – время зарядки зачастую превышает разумные величины.

Заряд током 0,2...0,5С без контроля окончания заряда

 Подобные зарядные  устройства хоть и редко, но  всё же встречаются – в основном  среди дешёвой китайской продукции.  При токе 0,2...0,5С они либо не имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.

 Использовать подобные  ЗУ категорически не рекомендуется:  так как контроля окончания  заряда нет, то в большинстве  случаев аккумулятор окажется  недо- или перезаряжен, что существенно сократит срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги на аккумуляторах.

 Заряд током  до 1C с контролем окончания заряда

 Этот класс зарядных  устройств – наиболее универсален  для повседневного применения: с  одной стороны, они обеспечивают  зарядку аккумуляторов за разумное  время (от полутора до четырёх-шести  часов, в зависимости от конкретного  ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание  заряда в автоматическом режиме.

 Наиболее часто встречающийся  метод контроля окончания заряда  – по спаду напряжения, обычно  он называется "метод dV/dt", "метод отрицательной дельты" или "метод -ΔV". Заключается он в том, что в течение всей зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и, обнаружив, прекратить заряд. (рис 3.1)

 

 

Рис.3.1

 

Многие производители  зарядных устройств также указывают  в их характеристиках "микропроцессорный  контроль" – но, по сути, это то же самое, что и контроль по отрицательной  дельте: если он есть, то он осуществляется специализированным микропроцессором.

 Впрочем, контроль  по напряжению – не единственный  доступный: в момент накопления  аккумулятором полной ёмкости  в нём резко возрастает давление  и температура корпуса, что  также можно контролировать. На  практике, впрочем, технически проще  всего измерять напряжение, поэтому  другие методы контроля окончания  заряда встречаются редко.

 Также многие качественные  зарядные устройства имеют два  защитных механизма: контроль  температуры аккумуляторов и  встроенный таймер. Первый останавливает  зарядку, если температура превысит допустимый предел, второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем старые или попросту некачественные аккумуляторы.

 Закончив зарядку аккумуляторов  большим током, наиболее "разумные" зарядные устройства ещё некоторое  время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) – это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость. Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что основная стадия зарядки закончена.

 Проблем с подобными  устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны с  достаточной точностью "поймать"  момент спада напряжения –  но, увы, это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.

 Например, если в инструкции  к ЗУ указано, что оно может  заряжать только 2 или 4 аккумулятора  одновременно (но не 1 и не 3) –  это значит, что оно имеет лишь  два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает  напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ одиночный аккумулятор (а, скажем, ваш покорный слуга ежедневно пользуется mp3-плеером, работающим именно от одного AAA-аккумулятора). Менее очевидное – в том, что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы старения худшего из пары.

"Правильное" зарядное  устройство должно позволять  заряжать произвольное количество  аккумуляторов – один, два, три  или четыре – а в идеале, ещё и иметь для каждого  из них отдельный индикатор  окончания зарядки (в противном  случае индикатор гаснет, когда  зарядится последний из аккумуляторов). Только в таком случае у  вас будут некоторые гарантии  того, что каждый из аккумуляторов  будет заряжен до полной ёмкости  независимо от состояния остальных  аккумуляторов. Отдельные индикаторы  заряда позволяют также отлавливать  преждевременно вышедшие из строя  аккумуляторы: если из четырёх  элементов, использовавшихся вместе, один заряжается значительно  дольше или значительно быстрее  остальных, значит, именно он и  будет слабым звеном всей батареи.

Многоканальные зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из них при  зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются током 565 мА.