СПОСОБ ЗАРЯДА ТЯГОВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 1997 года по МПК H01M10/44 H02J7/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в отраслях промышленности, эксплуатирующих тяговые аккумуляторные батареи.

При эксплуатации щелочных тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ), например шахтных электровозов, температура электролита в аккумуляторах, особенно расположенных в центральной зоне батареи, достигает 55-62^oC, хотя инструкция по их эксплуатации запрещает перегрев электролита в аккумуляторах выше 45-50^oC во избежание снижения их срока службы, фактической емкости и других эксплуатационных характеристик.

Известен способ, при котором заряд батареи приостанавливается при превышении температуры электролита аккуммуляторов заранее заданного значения [1]
Данный способ однако недостаточно эффективен, поскольку не учитывает состояние конкретной аккумуляторной батареи в начале процесса заряда, в частности при выборе величины начального зарядного тока не учитывается значение начальной температуры электролита аккумуляторов заряжаемой батареи и степень ее разряженности. Указанные недостатки способа могут привести или к перезаряду заряжаемой батареи или же наоборот к недозаряду в случае отключения ее от цепи заряда при превышении температурой электролита заданного значения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [2] в котором с целью ускорения процесса заряд осуществляют вначале повышенным током, выбираемым в зависимости от типа батареи, степени ее разряженности и окружающей температуры. Зарядный ток регулируется в зависимости от заданной скорости роста температуры электролита до момента достижения установленного для каждого типа аккумулятора отношения скорости газовыделения к зарядному току, а затем заряд ведут током, определяемым скоростью газовыделения, устанавливаемой в соответствии с полученными батареей ампер-часами при условии номинального КПД заряда и прекращают заряд при получении батареей заданных ампер-часов. Если в ходе заряда на любой стадии температура электролита или скорость газовыделения достигают предельных значений, то с выдержкой времени батарея отключается от зарядной цепи.

Недостатком этого способа является установление начального тока заряда по фактору температуры окружающей среды, что не отражает реального теплового состояния батареи, более того температура окружающей среды в условиях зарядных депо и цехов централизованного ремонта ТАБ изменяется несущественно и практически не влияет на динамику теплового состояния электролита аккумуляторов в процессе заряда ТАБ. К недостаткам относится также жесткое задание скорости роста температуры электролита на первой стадии заряда, что при незнании естественной динамики теплового состояния электролита в функции тока заряда для каждой конкретной батареи может вызвать при отсутствии ограничения зарядного тока или заряд током больше максимально допустимого для данного типа батареи или заряд заниженным током, что в первом случае приводит к снижению восприимчивости заряда электродами и к повышенному газовыделению, обуславливающему преждевременный выход аккумуляторов из строя, а во-втором к неоправданному увеличению времени заряда. Кроме того, непредсказуемость значения температуры электролита в конце заряда не дает возможности максимально уплотнить токовую диаграмму на второй стадии заряда без превышения заданного значения температуры электролита, а следовательно, сократить время заряда до минимума. Как на первой, так и на второй стадии заряда при данном способе не исключается превышение температурой электролита допустимого значения, что вызовет отключение ТАБ от зарядной цепи и приведет к недозаряду батареи.

Задача изобретения ускорение процесса тяговых аккумуляторных батарей при ограничении температуры электролита и тока заряда заданными значениями.

Сущность изобретения состоит в том, что заряд проводят двухступенчатым током. Выбор тока первой степени осуществляют по температуре электролита аккумуляторной батареи. На первой ступени непрерывно измеряют температуру электролита и по кривой нагрева определяют параметры математической модели, описывающей температуру батареи в функции времени и тока заряда. Выбор значения тока заряда второй ступени производят по условиям получения батареей заданной емкости, минимально возможного времени заряда, ограничения тока заряда и температуры электролита в конце заряда максимальными заданными значениями. Температуру электролита в конце заряда прогнозируют по математической модели, полученной на первой ступени заряда.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Заряд тяговой батареи проводят двухступенчатым стабилизированным током. На ТАБ подают пробное воздействие в виде стабилизированного тока тока заряда первой ступени I₁, величину которого устанавливают в соответствии с типом батареи, начальной температурой электролита и степенью заряженности батареи. Длительность пробного воздействия, то есть длительность первой ступени заряда установлена экспериментальным путем и может, например, определяться по формуле:
t₁=(0.2-0.3)•t_З.НОМ,
где t_З.НОМ время заряда батареи номинальным током.

Указанный интервал времени принимается из соображений получения минимальной ошибки при расчете параметров математической модели тяговой батареи.

На протяжении первой ступени заряда постоянно контролируют температуру электролита в центральной наиболее нагреваемой зоне батареи. По полученной кривой нагрева рассчитывают параметры математической модели, описывающей температуру ТАБ в функции времени и тока заряда, и по полученной модели осуществляют прогнозирование температуры электролита на конец заряда при условии сообщения заряжаемой батарее заданной зарядной емкости. С использованием полученной математической модели рассчитывают значение зарядного тока второй ступени I₂ при условии получения батареей к концу заряда заданного значения зарядной емкости за минимально возможное время при ограничении температуры электролита и тока заряда заданными значениями. Дальнейший заряд продолжают током I₂ и прекращают при сообщении батарее требуемого для данного типа ТАБ количества ампер-часов.

Математическая модель, описывающая динамику теплового состояния электролита аккумуляторной батареи в процессе заряда получена экспериментальным путем и описывает кривую нагрева температуры электролита в функции времени и тока заряда. Параметры математической модели определяют по кривой нагрева температуры электролита на первой ступени заряда любым из известных методов, например методом покоординатного спуска.

Математическая модель ТАБ, по которой можно рассчитать температуру электролита в конце заряда, при двухступенчатом заряде может быть, например, описана формулой:

где θ_н, θ_к -начальная и конечная температуры электролита, ^oC;
I₁,I₂ токи первой и второй ступеней заряда, А;
t₁, t₂ продолжительность первой и второй ступеней заряда, ч;
k₁, k₂ коэффициенты математической модели;
Т₁ постоянная времени математической модели, ч.

При расчете значения тока заряда второй ступени I₂ должны выполняться следующие условия:
сообщение батарее заданной зарядной емкости;
ограничение тока заряда и температуры электролита максимально допустимыми значениями;
минимально возможное время заряда.

Перечисленные условия для математической модели описываемой формулой (1) выражаются следующей системой уравнений, решением которой определяется ток второй ступени заряда:

где Q₃ заданная зарядная емкость, А•ч;
θ_ДСП -заданная температура нагрева электролита, ^oC;
t₃ время заряда батареи, ч;
I_max максимальный заданный ток для данного типа ТАБ, А.

На протяжении всего процесса заряда контролируют температуру центральной зоны и в случае превышения ею максимально допустимого значения зарядное устройство отключается с выдачей аварийного сигнала.

Для реализации предложенного способа заряда необходимо иметь систему автоматического управления процессом заряда, устройство которой представлено на чертеже.

Устройство содержит микроЭВМ 1; цифроаналоговый преобразователь 2; зарядное устройство (управляемый источник тока) 3, тяговую аккумуляторную батарею 4; систему 5 автоматического контроля температуры электролита (САКТЭ), содержащую датчики 6 температуры электролита; устройство 7 преобразования и передачи сигнала на микроЭВМ по ее запросу; автоматический выключатель 8, блок включения 9.

Система работает следующим образом. При поступлении аккумуляторной батареи 4 на заряд подают напряжение питания на микроЭВМ 1 (например IBM PC) и питающее напряжение на автоматический выключатель 8. Производится внутренняя инициализация микроЭВМ, после чего в нее вводят данные о типе батареи, поставленной на заряд, и степени ее заряженности. МикроЭВМ через устройство 7 преобразования и передачи сигнала (например NVL-19) опрашивает датчики 6 температуры электролита, расположенные непосредственно в аккумуляторах центральной зоны ТАБ, рассчитывает среднюю температуру зоны и принимает решение о возможности начала заряда. Если начальная температура ТАБ не превышает допустимого для начала заряда значения, то микроЭВМ 1 через блок включения 9 подает разрешающий сигнал о начале заряда на автоматический выключатель 8, который в свою очередь обеспечивает поступление напряжения питания на зарядное устройство 3 (например ТПЕ). Если же значение начальной температуры ТАБ выше предельно допустимого для начала заряда, то сигнал на включение зарядного устройства не подается, а микроЭВМ выводит на контрольное табло сигнал о недопустимости заряда данной батареи. В случае, если заряд ТАБ возможен, микроЭВМ 1 по начальной температуре электролита определяет значение тока заряда первой ступени и через цифроаналоговый преобразователь 2 устанавливает соответствующее напряжение задания на зарядном устройстве 3.

Зарядное устройство 3 обеспечивает заряд ТАБ стабилизированным током первой ступени, который производится в течение времени t₁, на всем протяжении которого микроЭВМ периодически опрашивает датчики температуры 6 и фиксирует значения температуры ТАБ. По истечении времени t₁ микроЭВМ определяет конкретные значения коэффициентов и постоянных времени математической модели, индивидуальные для каждого цикла заряда каждой конкретной батареи. Используя эти данные, микроЭВМ рассчитывает ток второй ступени заряда ТАБ I₂ и через цифроаналоговый преобразователь 2 подает соответствующий сигнал на вход зарядного устройства 3. В течение всего заряда микроЭВМ подсчитывает полученные ТАБ ампер-часы и прекращает заряд при получении батареей заданной емкости. На протяжении всего процесса заряда аккумуляторной батареи микроЭВМ контролирует температуру центральной зоны, определяет возможность продолжения заряда ТАБ. В случае превышения температурой максимально допустимого нормированного значения микроЭВМ через блок включения 9 отключает зарядное устройство 3 и выдает сигнал об аварийной остановке заряда.

Как было показано, предложенный способ обеспечивает минимизацию времени заряда при обеспечении неперегрева батареи за счет выбора индивидуального для каждой батареи зарядного тока, значение которого определяется по математической модели ТАБ.

Использование: эксплуатация тяговых аккумуляторных батарей. Сущность изобретения: двухступенчатый способ заряда с ограничением температуры электролита. Значение тока заряда первой ступени выбирают по температуре электролита. По кривой нагрева определяют параметры математической модели, описывающей температуру батареи в функции времени и тока заряда. Выбирают ток заряда второй ступени так, чтобы батарея получила заданную емкость за минимально возможное время, а ток и температура электролита в процессе заряда не превысили заданных значений. Температуру электролита прогнозируют по математической модели полученной на первой ступени заряда. Заряд прекращают при получении батареей заданной емкости. 1 ил.

Способ заряда тяговой аккумуляторной батареи, осуществляемый в две стадии, ток первой стадии устанавливают в зависимости от типа батареи и степени ее заряженности, в процессе заряда на обоих его стадиях непрерывно контролируют температуру электролита и прекращают заряд при получении батареей заданной емкости или при превышении температурой электролита заданного значения, отличающийся тем, что зарядный ток первой стадии дополнительно выбирают по начальной температуре электролита аккумуляторной батареи, по кривой нагрева электролита на первой стадии определяют параметры математической модели, описывающей температуру батареи в функции времени и тока заряда, заряд второй стадии ведут током, определенным из условий получения батареей заданной емкости, минимально возможного времени заряда и ограничения тока заряда и температуры электролита в конце заряда максимальными заданными значениями, при этом температуру электролита в конце заряда прогнозируют по полученной математической модели.