СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2003 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам заряда химических источников тока, и может быть использовано для заряда никель-кадмиевых (Ni-Cd), никель-металл-гидридных (Ni-MH) и свинцовых (кислотных) аккумуляторов.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков.

Известен способ заряда аккумуляторных батарей на основе заряд-разрядных выпрямительно-инверторных преобразователей, см. Зорохович А.Е. и др. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей", М.", Энергия", 1975, с. 181-185. Это устройство не позволяет осуществить импульсные режимы работы по заданному алгоритму с регулируемыми параметрами в широких пределах.

Известен способ ускоренного заряда аккумуляторной батареи ассиметричным током с использованием задающего генератора и синхронизатора, схемы задержки, регулятора скважности, блока раздельной регулировки амплитуд, блока стабилизации тока и реверсивного датчика тока, см. а.с. СССР 1056360, H 02 J 7/10. Этот способ позволяет установить заданные величины (амплитуду катодного и анодного импульса тока раздельно, скважность, задающую частоту, паузу между прямым и обратным током), а также вести заряд по заданному алгоритму работы со стабилизацией тока в процессе заряда, что расширяет функциональные возможности устройств.

Известен способ заряда аккумуляторной батареи, заключающийся в подаче на батарею постоянного тока и тока переменного направления, согласно которому заряд постоянным током ведут с паузами в 5-10 минут и с периодичностью 0,5-1 ч, а в паузы постоянного тока через батарею пропускают ток переменного направления с частотой 0,05-20,0 кГц и величиной амплитуды тока 0,5-5 С_н (а. с. СССР 1309122, Н 01 M 10/44).

Известен способ заряда аккумуляторной батареи разнополярным импульсным током, содержащий источник постоянного тока ограниченной мощности, которая обеспечивает формирование последовательности однополярных импульсов зарядного тока и пауз, в одну из которых помещается разрядный импульс тока большой амплитуды, см. а.с. СССР 1534634, H 02 J 7/10. Данная форма тока снижает тепловыделение и оказывает благоприятное воздействие на протекание процесса заряда аккумуляторной батареи, так как под действием совокупности чередующихся импульсов тока с паузами нарастание статической поляризации аккумуляторной батареи затягивается, а в момент действия разрядного импульса большой амплитуды происходит деполяризация, частично снимающая установившуюся (накопившуюся) поляризацию батареи.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

В настоящее время все чаще возникает необходимость быстрого заряда аккумуляторных батарей. При этом существует проблема перегрева аккумуляторной батареи, ухудшения эксплуатационных характеристик, вызванных высокими скоростями заряда. Также весьма серьезной проблемой при зарядке аккумуляторных батарей является определение оптимального момента времени окончания этого процесса, особенно при высоких скоростях заряда, которое обеспечивало бы максимально возможную степень зарядки аккумуляторной батареи без ее повреждения. Для определения этого момента проводят периодические измерения напряжения на заряжаемом аккумуляторе, на результаты которых существенное влияние оказывают состояние и надежность контакта подводящих проводов с клеммами аккумулятора, а также величина внутреннего сопротивления аккумулятора. Эти факторы снижают точность определения момента времени окончания процесса зарядки аккумулятора.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи увеличения скорости заряда без ухудшения параметров никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных и свинцовых аккумуляторов, увеличение срока службы (восстановление емкости аккумулятора и его внутреннего сопротивления), повышение точности измерений при определении момента окончания заряда.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Заявленный способ заряда аккумулятора, заключающийся в подаче на заряжаемый аккумулятор зарядного тока и периодическом измерении напряжения на аккумуляторе, характеризуется тем, что заряд производят ассиметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов и обеспечением пауз между ними, причем зарядные и разрядные импульсы тока формируют с крутыми фронтами и осуществляют оптимизацию соотношения величин зарядного и разрядного импульсов, за счет чего обеспечивают постоянство напряжения в паузах, при этом периодические измерения напряжения на аккумуляторе осуществляют в моменты пауз при отсутствии тока заряда или разряда, определяют характер изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе и в зависимости от выбранного фактора изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе прекращают процесс зарядки аккумулятора.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его выполнения, конкретных формах его материального воплощения либо особых условиях его использования, а именно:
- процесс зарядки аккумулятора прекращают при снижении напряжения на заряжаемом аккумуляторе на величину, превышающую заранее заданную величину;
- процесс зарядки аккумулятора прекращают при равенстве нулю или при отрицательных значениях первой производной изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе в течение времени, превышающем заранее заданный промежуток времени;
- предварительно измеряют внутреннее сопротивление заряжаемого аккумулятора, по величине которого определяют максимально допустимую величину тока заряда, при этом в процессе заряда осуществляют периодические измерения внутреннего сопротивления заряжаемого аккумулятора и корректируют величину тока заряда.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленного изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) в предложенном техническом решении достигается повышение точности определения момента времени окончания процесса зарядки аккумулятора и увеличение безопасной скорости заряда.

Отдельные отличительные признаки заявленного изобретения известны из уровня техники, однако заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии данных отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором жирной линией изображен график изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе в оптимальном режиме, при этом штрих-пунктирной линией показан спад напряжения на заряжаемом аккумуляторе при отсутствии импульсов разряда, а пунктирной и точечной линиями - варианты изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе при соответственно заниженной и завышенной величине импульсов разряда.

Способ реализуют следующим образом.

В начале процесса заряда аккумулятора производят измерение его внутреннего сопротивления, на основании которого определяют максимально возможный ток заряда, не приводящий к перегреву аккумулятора. Заряд производят ассиметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов и обеспечением пауз между ними, используя все известные преимущества такого способа заряда. Зарядные и разрядные импульсы тока формируют с крутыми фронтами и осуществляют оптимизацию соотношения величин зарядного и разрядного импульсов. Особенно важно формирование импульса разряда с крутым фронтом и с амплитудой, превышающей импульс заряда. Деполяризация заряда снижает накапливающуюся поляризацию аккумулятора, снижает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Однако излишняя величина разрядного импульса приводит либо к снижению средней величины тока заряда и соответственно к снижению скорости заряда либо при коррекции средней величины тока заряда до предшествующей скорости заряда к возрастанию тепловыделения на активном сопротивлении аккумуляторной батареи. Оптимальной величиной соотношения импульсов заряда и разряда является такая его величина, при которой напряжение на аккумуляторной батарее в течение паузы после импульса разряда остается постоянной. Оптимизация соотношения величин зарядного и разрядного импульсов приводит к снижению тепловыделения, а следовательно, к возможности заряда большими токами и ускорению заряда.

Периодические измерения напряжения на аккумуляторе осуществляют в моменты пауз при отсутствии тока заряда или разряда. Благодаря этому исключается влияние на результаты измерения величины внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи и сопротивления соединительных проводов и переходных контактов, что позволяет упростить конструкцию подключения. Кроме того, повышению точности измерений способствует постоянство напряжения в течение паузы, так как исключается зависимость момента проведения измерения относительно импульсов заряда и разряда.

В зависимости от выбранного фактора изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе прекращают процесс зарядки аккумулятора.

Такими факторами могут быть снижение напряжения на заряжаемом аккумуляторе на величину, превышающую заранее заданную величину, а также равенство нулю или отрицательные значения первой производной изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе в течение времени, превышающем заранее заданный промежуток времени.

После окончания процесса зарядки осуществляют режим дозарядки при величине тока, который заряжаемый аккумулятор может выдерживать длительное время без выхода из строя.

Заявленный способ может быть реализован с использованием известных технологий и технических средств, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
- обеспечение возможности ускорения процесса заряда аккумулятора без ухудшения его эксплуатационных характеристик,
- повышение точности измерения напряжения на заряжаемом аккумуляторе, обеспечение более точного момента времени прекращения процесса заряда и снижение вероятности нежелательного перезаряда аккумулятора,
- частичное восстановление параметров аккумулятора.

Изобретение относится к способам заряда химических источников тока и может быть использовано для заряда никель-кадмиевых (Ni-Cd), никель-металлгидридных (Ni-MH) и свинцовых (кислотных) аккумуляторов. Согласно изобретению способ заряда характеризуется тем, что заряд производят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов и обеспечением пауз между ними, причем зарядные и разрядные импульсы тока формируют с крутыми фронтами и осуществляют оптимизацию соотношения величин зарядного и разрядного импульсов, за счет чего обеспечивают постоянство напряжения в паузах, при этом периодические измерения напряжения на аккумуляторе осуществляют в моменты пауз при отсутствии тока заряда или разряда, определяют характер изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе и в зависимости от выбранного фактора изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе прекращают процесс зарядки аккумулятора. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности ускорения процесса заряда аккумулятора без ухудшения его эксплуатационных характеристик, повышение точности измерения напряжения на заряжаемом аккумуляторе, обеспечение более точного момента времени прекращения процесса заряда и снижение вероятности нежелательного перезаряда аккумулятора, частичное восстановление параметров аккумулятора. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ заряда аккумулятора, заключающийся в подаче на заряжаемый аккумулятор зарядного асимметричного импульсного тока с чередованием зарядного и разрядного импульсов и обеспечения пауз между ними, и периодическом измерении напряжения на аккумуляторе, отличающийся тем, что предварительно измеряют внутреннее сопротивление заряжаемого аккумулятора, по величине которого определяют максимально допустимую величину тока заряда, зарядные и разрядные импульсы формируют с крутыми фронтами, при этом оптимизируют соотношение зарядного и разрядного импульсов, обеспечивая постоянство напряжения в паузах, причем определяют характер изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе и прекращают процесс зарядки аккумулятора при снижении напряжения на заряжаемом аккумуляторе на величину, превышающую заданную величину, или при отрицательных значениях, или равенстве нулю первой производной изменения напряжения на заряжаемом аккумуляторе в течение времени, превышающем заранее заданный промежуток времени.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют периодические измерения внутреннего сопротивления заряжаемого аккумулятора и корректируют величину тока заряда.