home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 3 / hamradioversion3.0examsandprograms1992.iso / mods / radmods / nicads.txt < prev   
Text File  |  1988-07-13  |  13KB  |  277 lines

  1.  
  2.                       USE OF NICAD BATTERIES
  3.  
  4. Cell Grading
  5.  
  6. (adapted from "Cell grading improves communications batteries", Mobile
  7. Radio Technology (an Intertec Publication), June 1987.
  8.  
  9.   Nickel-cadmium battery packs have become a popular choice as a power source
  10. for portable communications equipment.  Advances in construction methods have
  11. made the packaging smaller with more energy-storage capability.
  12.  
  13.   One efficient technique for producing a longer-lasting battery lies not in
  14. the construction, but in "cell grading," a measure of the staying power or
  15. capacity of each cell for the battery pack is assembled.  Grading ensures that
  16. cells are used in the most efficient manner possible, making packs last
  17. longer.  Through grading, cells with similar capacity that may be needed for
  18. different types of applications are grouped together.
  19.  
  20. **Voltage criterion**
  21.  
  22.   A battery pack consists of two or more cells.  The most common configuration
  23. for communications equipment is a series connection of 6-12 cells, providing
  24. 7.2-14.4Vdc.  Because nicad cells produce approximately 1.2Vdc each, rated
  25. voltage is the number of cells multiplied by 1.2V.  In reality the voltage
  26. rises above 1.2 during and after charging.  The voltage falls below 1.2V
  27. during discharge, but is not considered depleted until it drops to 1V.
  28.  
  29.   An observation of voltage alone cannot indicate a cell's integrity
  30. accurately if the cell's voltage is less than 1.2V after charging.  This
  31. indicates internal damage to the cells.  Because the pack voltage cannot be
  32. used as a gauge of capacity, each cell must be cycled, which is the reasoning
  33. behind cell grading.
  34.  
  35.   Battery capacity, in milliamp-hours (mAh), quantifies the amount of energy
  36. the battery can deliver over a specific period.  Usually the period is one
  37. hour.  A battery rated at a 12V, 750mAh should, when fully charged, maintain a
  38. 0.75A discharge rate for one hour.  The unit is considered depleted when its
  39. terminal voltage under load reaches 1V/cell (10V in a 10-cell battery).
  40.  
  41.   Over a period of several years, it has been found that some cells can vary
  42. as much as 20% above the cell rated capacity.  For example, within a group of
  43. 450mAh rated cells, a few actually run close to 540mAh.  Cells with 12% to 17%
  44. (504-530mAh) over rated capacity are common and 30-40% of the 450mAh cells run
  45. 500mAh or more.
  46.  
  47.  
  48. **Pack quality**
  49.  
  50.   Without cell grading, random groups of cells would typically be assembled
  51. into a battery pack.  Each group would probably have at least one cell in the
  52. 450mAh range and perhaps one or more in the 500mAh range.  A battery has only
  53. as much capacity as its weakest cell.  Therefore, the entire pack, even with
  54. several high capacity cells, can only perform at the 450mAh level.
  55.  
  56.   For the same of comparison, a pack that contains 500mAh cells offers a 10%
  57. increase in use time over one that contains all 450mAh cells.  However, both
  58. are physically the same size.
  59.  
  60.  
  61. **Causes for variation**
  62.  
  63.   A number of changes have taken place in the manner in which nicad batteries
  64. are constructed since the technology began in the 1920s.  Pocket-plate
  65. construction was used to make reasonable quantities of small, sealed nicad
  66. packs.  Although they had high rates of discharge, they did not have any
  67. overcharge protection and only could be charged slowly.
  68.  
  69.   Technological improvements resulted in the sintered plate construction,
  70. which gave thinner electrodes with large, active surface areas.  This method
  71. allows high charging and discharging rates and gives the batteries better low
  72. temperature and overcharging properties.  The size of the holes or the porous
  73. construction of the electrode determines the amount of active material the
  74. electrode can absorb.
  75.  
  76.   Electrode porosity varies, which in turn causes cell capacity to vary.  The
  77. effort to produce high-quality, consistent electrodes is never ending.
  78. Capacity is determined by separator material, the amount of electrolyte (KOH),
  79. the density of the KOH and the space between positive and negative electrodes.
  80. All of these elements have their own little problems.  The interaction of all
  81. the factors in individual cells make the process of cell grading more
  82. valuable.
  83.  
  84.  
  85. **The grading process**
  86.  
  87.   Nicad cell grading is carried out with a computer-monitored system.  The
  88. system slowly charges the cells for 24 hours, ensuring a full charge for the
  89. test.  The cells are then placed into a fixture that is electrically connected
  90. to a precise load.  The computer monitors the voltage of each cell and
  91. calculates its capacity as it discharges.  When all cells under test are
  92. depleted, the computer provides status data on each cell.
  93.  
  94.   Grading is a quality control tool for the manufacturer because it allows
  95. defective and low-capacity cells that do not reach specifications to be pulled
  96. from the assembly process.  Not only does it allow grouping by cell capacity,
  97. it avoids the expense of having to rework a final assembled battery that does
  98. not operate properly.
  99.  
  100.  
  101. **No cell forming**
  102.  
  103.   When a battery pack is constructed of unknown or mixed charged states, a
  104. process called cell forming is necessary to bring the cells all to the same
  105. state of charge.  To form a battery, a slower trickle charge (C/10+) is used.
  106. As an extreme example, a battery could have one cell fully charged and 11
  107. cells not charged at all.  If this battery is slow-charged the first time, the
  108. low cells simply catch up to the full one with no damage.  However, if the
  109. pack is put into a rapid charger, the lone full cell will be severely
  110. overcharged, while the others are charging.  The entire assembly can be
  111. damaged in the process.
  112.  
  113.   By using a grading process prior to assembly, the mixed bag of individual
  114. cells is avoided and cell forming is not required.
  115.  
  116.  
  117. **Battery care**
  118.  
  119.   In the assembly process, graded cells are welded into packs.  The battery
  120. pack maintains its rated capacity only if properly cared for.  Battery
  121. analyzers can be used to achieve the maximum performance and cycle life from a
  122. battery.
  123.  
  124.   When the battery is inserted, the analyzer begins a complete, current-
  125. regulated rapid charge.  During the charge period, a microprocessor-controlled
  126. system makes multiple readings of the actual battery voltage.  Each reading is
  127. compared with the following reading to determine when the battery has reached
  128. 100% of its rated capacity.
  129.  
  130.   Next the analyzer switches to a controlled discharge cycle, taking the unit
  131. to a 1V/cell potential.  At this point, the analyzer can calculate the battery
  132. capacity in mAh and provide a printed documentation of the information.
  133.  
  134.   Finally, the analyzer begins another charge cycle, returning the battery to
  135. a 100% charge.
  136.  
  137.   Because nicad batteries of today are constructed to last longer then ever
  138. before, consideration must be given to ways to maintain their specifications
  139. throughout the rated lifetime.  Cell grading and sorting of cells prior to
  140. assembly into packs plays a role in providing a battery that will have a good
  141. long life.  At the same time it allows the construction of battery packs with
  142. higher capacity in the same packaging volume.
  143.  
  144.  
  145. Getting Charged Up Right
  146.  
  147.   Selecting the charger with the right combination of capabilities helps to
  148. get the maximum use from an inventory of nickel-cadmium batteries.
  149.  
  150.   How can you be sure nickel-cadmium [nicad] batteries deliver their
  151. rated performance, time after time?  The secret is in proper charging.
  152.  
  153.   Many battery chargers are available, but each is not as effective as
  154. another in charging and maximizing battery life.  Several factors should
  155. for the basis for selecting a particular mode.
  156.  
  157. QUESTIONS
  158.  
  159. 1 Can the charger detect a level of discharge ?  Can the charger
  160. system discharge a partially charged battery to 1V/cell potential
  161. before starting the charge cycle?
  162.  
  163. 2 Is a proper current level used in charging the battery?
  164.  
  165. 3 Is a trickle current applied to the battery after the charge cycle
  166. is complete?
  167.  
  168. 4 Is the technique to determine when a full charge has been obtained
  169. effective and safe?
  170.  
  171. 5 Is positive contact maintained between battery and charger terminals?
  172.  
  173.  
  174. **Discharge cycles**
  175.  
  176.   Discharging a battery before applying a charging current cures the
  177. battery of at least three potential problems, including long-term
  178. storage, long-term over-charging and memory effects.
  179.  
  180.   A battery subjected to shallow discharges followed by full charges
  181. is likely to exhibit a phenomenon known as memory effect.  Memory is
  182. not a loss of capacity, it is a voltage depression.  Each cell in the
  183. battery rapidly loses voltage during subsequent use, suffering a
  184. reduction from 1.2V/cell to about 1V/cell.  The reduced voltage mimics
  185. the appearance of a loss of capacity.  The memory effort is avoided
  186. when the battery is fully discharged before each charge cycle.
  187.  
  188.   Long-term over-charging causes the loss of 30-40% of the battery's
  189. rated capacity the first time it is used after being subjected to the
  190. over-charging.  One discharge-charge cycle can restore the abused
  191. battery to 75-90% of its rated capacity for its next use.
  192.  
  193.   Long-term storage causes the battery electrolyte to become unevenly
  194. distributed within the cells, reducing capacity.  During long-term
  195. storage a passivation layer may form on the battery's anode.  The
  196. layer acts as an insulator, diminishing the capacity as much as 55%.
  197.  
  198.   After repeated discharge-charge cycles, the long-term over-charging
  199. and storage effects are overcome and the battery will deliver its
  200. rated capacity.
  201.  
  202.   A battery is considered fully discharged if the terminal voltage
  203. is 1V/cell or less when the battery is under a 1C load.  A 1C load
  204. draws a constant current while discharging a battery and reduces a
  205. fully charged battery to a 1V/cell level in one hour.  The load
  206. normally is specified by the battery manufacturer.
  207.  
  208.   The charger should not discharge the battery below 1V/cell.  If it
  209. does, weak cells in the stack may undergo a polarity reversal that
  210. would shorten the battery's useful life.
  211.  
  212.  
  213. **Charging currents**
  214.  
  215.   A charger should deliver a constant current at a level that charges
  216. the battery fastest.  For rapid-charge batteries, a 1C charging rate
  217. is preferred.  On standard batteries, a C/4 charge rate should be
  218. used, provided the charger can monitor the state of the charge and
  219. reduce the current to a trickle or remove current from the battery
  220. completely when a full charge is attained.
  221.  
  222.  
  223. **Trickle charges**
  224.  
  225.   A trickle current prevents the battery from discharging itself it
  226. is left in the charger for an extended period.
  227.  
  228.   A battery charged with the maximum safe current accepts the charge
  229. more efficiently.  The battery will deliver as much as 10% greater
  230. capacity for a given amount of charge - comparing a 1C charging rate
  231. to a 0.02C rate, for example.
  232.  
  233.   A charger with 1C discharge and 1C and C/4 rates theoretically can
  234. discharge and charge a rapid-charge battery fully in less than 2.5
  235. hours.  A standard-charge battery would need less than seven hours.
  236.  
  237.  
  238. **Determining full charge**
  239.  
  240.   Three methods are common in determining when a battery has reached
  241. a state of full charge.  One involves using the battery specifications
  242. and applying a controlled charge; the other two involve measurements.
  243.  
  244.   The controlled-charge method applies a constant current to a battery
  245. that has been discharged to 1V/cell.  The current is applied for a
  246. specified period that satisfies the battery's specification.
  247.  
  248.   Measurement methods monitor the battery voltage during charging to
  249. detect a negative slope.  As a battery reaches full charge, its
  250. terminal voltage first slightly increases, then decreases.  The
  251. transition from the higher to lower voltage is known as the negative
  252. slope and indicates a full charge.
  253.  
  254.   Both methods are acceptable.  But when the negative slope method is
  255. used, a discharge cycle should still be included prior to charging.
  256.  
  257.   Another method measures battery temperature.  A thermal detection
  258. device placed against the cells reveals an increase in temperature.
  259. A nicad battery's temperature rises only after it reaches full charge.
  260. Therefore, to some extent, the battery is overcharged with each charge
  261. cycle.  The thermal method may be acceptable if it is engineered
  262. properly, but it is not the preferred technique.
  263.  
  264.  
  265. **Positive contacts**
  266.  
  267.   The charger terminals must make positive contact with the battery
  268. terminals to ensure a low resistance connection for an efficient
  269. discharge-charge cycle.
  270.  
  271.   Positive contact also is a safety consideration with chargers that
  272. use thermal sensing of the full charge.  If proper contact is not
  273. made, the battery could overcharge.  A rapid-charge battery subjected
  274. to an overcharge could reach temperatures high enough to melt the
  275. battery case.
  276.  
  277.