СПОСОБ УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Российский патент 2007 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

Изобретение относится к электротехнике и касается вопроса ускоренного заряда щелочных аккумуляторов.

Известны способы [А.с. СССР 1035687, Н 01 М 10/44; А.с. СССР 1048536, Н 01 М 10/44] форсированного заряда никель-кадмиевых аккумуляторов с малым газовыделением. Для способа [А.с. СССР 1035687, Н 01 М 10/44] заряд проводят разнополярными импульсами тока с параметрами: длительность зарядного импульса (200±110) мс, разрядного (10±0,5) мс, паузами между ними (10±1) мс, соотношение амплитуд зарядного и разрядного токов 7,1±0,1, амплитуда зарядного импульса 5,6÷8,5 от номинальной емкости, время заряда 10,5÷15,5 мин. Однако данный способ заряда согласно исследованиям [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1989. - Т.35, - N7. - С.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1994. - Т.30, N3. - С.382-387; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1997. - Т.33, N5. - С.605-606] далек от оптимального, так как одним из основных требований оптимального режима заряда является требование, чтобы амплитуда разрядного импульса была больше амплитуды зарядного импульса, а не наоборот. Аналогичным недостатком обладает и способ [А.с. СССР 1048536, Н 01 М 10/44] форсированного заряда никель-кадмиевых аккумуляторов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [Патент Российской Федерации 2207665, 7 Н 01 М 10/44, Н 02 J 7/00] быстрого заряда никель-кадмиевых аккумулятоов разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами импульсов разрядного и зарядного токов при соотношении 3,0±0,2 с амплитудами зарядного тока 1,2÷0,8 от номинальной емкости при длительности зарядного импульса (230±10) мс и разрядного импульса (15±5) мс с паузами между ними 0÷2 мс, процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения.

Однако согласно исследованиям [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1989. - Т.35, - №7. - С.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1994. - Т.30, №3. - С.382-387; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1997. - Т.33, N5. - С.605-606] оптимальный режим заряда переменным асимметричным током зависит от внутреннего сопротивления аккумулятора как омического, так и поляризационного, толщины электродов, пористости электродов и т.д. Поэтому оптимальный режим заряда в принципе не может быть одним и тем же для разных типов аккумуляторов, различающихся типом электродов способом их изготовления, толщиной электродов и т.д.

Задачей изобретения является разработка способа автоматизированного ускоренного заряда щелочных аккумуляторов с улучшением их технико-эксплуатационных характеристик, таких как отдаваемая аккумулятором емкость, без газовыделения, без разогрева и без предварительного приведения в исходное состояние, с окончанием процесса заряда при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения.

Поставленная задача достигается тем, что в известный способ ускоренного заряда никель-кадмиевых аккумуляторов разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов введены изменения, позволившие вести ускоренный заряда щелочных аккумуляторов в автоматическом режиме с улучшением их технико-эксплуатационных характеристик, таких как отдаваемая аккумулятором емкость, без газовыделения, без разогрева и без предварительного доразряда аккумулятора.

Заряд проводится при соотношении амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношении длительностей разрядного и зарядного импульсов τ, определяемых индивидуально для каждого типа аккумуляторов с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷10 и τ=0,1÷0,9 соответственно. Критерии для нахождения оптимальных значений γ, τ для разных типов аккумуляторов и разных требований при эксплуатации могут быть разными. Чаще всего это устранение газовыделения (для герметичных аккумуляторов), увеличение отдаваемой емкости (для всех типов аккумуляторов) при заданном времени заряда t и непревышении заданной температуры Т₀ в конце заряда.

Амплитуда зарядного тока рассчитывается по среднему току в соответствии с требуемым временем заряда по формуле J_з=J_cp*(1+τ)/(1-τ*γ), где J_cp=Q_н/t - средний ток заряда, Q_н - номинальная емкость аккумулятора, t - требуемое время заряда. Время заряда от 7 минут до 4 часов в зависимости от требований заказчика. Процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения, данного в технических требованиях на аккумулятор или инструкции по эксплуатации аккумулятора. Частота зарядного тока не имеет большого значения вплоть до частот в десятки килогерц [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1993. - Т.29, №10. - С.1192-1195], поэтому она берется кратной частоте промышленного тока, это связано с удобствами создания зарядных устройств. Таким образом, требование определенного времени заряда и выбор удобной в техническом плане частоты зарядного тока сводит поиск оптимального режима заряда к двухфакторному эксперименту по нахождению оптимальных параметров γ и τ.

Согласно исследованиям [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1989. - Т.35, - №7. - С.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1994. - Т.30, №3. - С.382-387; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1997. - Т.33, №5. - С.605-606] оптимальным режимом заряда является заряд, при котором количество прошедшего электричества распределяется равномерно по глубине пористых электродов. Это позволяет наиболее полно использовать активную массу электродов по всей их глубине и, следовательно, повысить отдаваемую емкость аккумулятора. Использование переменного асимметричного тока при заряде аккумуляторов позволяет получить любое распределение количества прошедшего электричества по глубине пористых электродов, в том числе и равномерное [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1989. - Т.35, - №7. - С.759-765]. При заряде постоянным или импульсным токами в основном будут заряжаться поверхностные слои электродов, и тем меньше будет глубина проникновения электрохимического процесса в глубь электродов, чем больше будет величина зарядного тока [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1994, - Т.30, №3. - С.382-387], что приведет к снижению отдаваемой емкости.

Кроме того, равномерное распределение количества прошедшего электричества по глубине пористых электродов приводит к равномерной поляризации всех участков электродов, что в свою очередь приводит к одновременному началу газовыделения на всех участках по глубине электродов. Если прекратить процесс заряда до этого момента, то можно в принципе полностью исключить газовыделение при заряде аккумуляторов. Использование других форм тока не позволяет полностью устранить газовыделение. Например, при заряде щелочных аккумуляторов импульсным током, во время паузы поляризация на поверхности электродов понижается как за счет перераспределения заряда по глубине пористых электродов, так и в большей мере за счет распада высокоактивных продуктов заряда на поверхности электродов. Все это приведет к сокращению газовыделения, но не позволит его устранить полностью [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука" - 1997. - Т.33, №5. - С.605-606].

Сокращение газовыделения уменьшает разрушение электродов в процессе заряда и отслаивание активной массы от токонесущей сетки (для намазных и прессованных электродов), а использование асимметричного тока при заряде уменьшает пассивацию электродов - все это, как правило, увеличивает срок службы аккумуляторов.

Заряд данным режимом снимает "эффект памяти" щелочных аккумуляторов, что позволяет заряжать их без предварительного доразряда до уровня 1 В на аккумулятор в автоматическом режиме.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Аккумуляторная батарея 2КНБ-2 заряжалась следующим режимом заряда: амплитуда зарядных импульсов 11,7±0,2 А, соотношение амплитуд разрядного и зарядного импульсов 2,6±0,1, длительность зарядных импульсов 50 мс, длительность разрядных импульсов 5 мс, пауза между зарядными и разрядными импульсами 5 мс, время заряда 1 час 10 мин, газовыделение и нагрев отсутствуют. Пороговое напряжение 3,2±0,1 В. Средняя отдаваемая емкость на первых 50 циклах составила 2,1±0,1 А*ч, что на 12% выше, чем при стандартном режиме заряда током 0,4 А в течение 10 ч. Количество рабочих циклов 740, что значительно больше установленных техническими требованиями на аккумулятор.

Пример 2. Аккумуляторная батарея 10НКГЦ-1,8-1 заряжалась следующим режимом заряда: амплитуда зарядных импульсов 2±0,1 А, соотношение амплитуд разрядного и зарядного импульса 3,5±0,1, длительность зарядных импульсов 50 мс, длительность разрядных импульсов 5 мс, пауза между зарядными и разрядными импульсами отсутствует, время заряда 1 час 35 мин, газовыделение и нагрев отсутствуют. Пороговое напряжение 16,2±0,1 В. Средняя отдаваемая емкость на первых 50 циклах была на 10% выше, чем при стандартном режиме заряда согласно ТУ или инструкции по эксплуатации аккумулятора. Количество рабочих циклов 520, что значительно выше установленных техническими требованиями на аккумулятор.

Используемый способ ускоренного заряда щелочных аккумуляторов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества.

1. Оптимальный режим заряда в смысле равномерности распределения количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода. Как отмечено выше, равномерности распределения количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода можно достичь только используя переменный асимметричный ток, и находя соотношение амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношение длительностей разрядного и зарядного импульсов τ с помощью двухфакторного эксперимента индивидуально для каждого типа аккумуляторов. Это позволяет учесть индивидуальные свойства каждого типа аккумуляторов, что не учитывает никакой другой способ.

2. Предлагаемый оптимальный режим заряда позволяет полностью исключить газовыделение, что также невозможно в любом способе без учета индивидуальных свойств аккумулятора.

3. Увеличивает отдаваемую емкость на 7-12%. Сокращает время заряда от 5 до 50 раз. Увеличивает срок службы аккумулятора.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР 1035687, Н 01 М 10/44.

2. Авторское свидетельство СССР 1048536, Н 01 М 10/44.

3. Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука" - 1989. - Т.35, - №7. - С.759-765.

4. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука" - 1994. - Т.30, №3. - С.382-387.

5. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука" - 1997. - Т.33, №5. - С.605-606.

6. Патент Российской Федерации 2207665, 7 Н 01 М 10/44, Н 02 J 7/00.

7. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука" - 1993. - Т.29, №10. - C.1192-1195.

Использование: для ускоренного заряда щелочных аккумуляторов. Технический результат заключается в автоматизации заряда аккумуляторов с улучшением их технико-эксплуатационных характеристик. В способе заряд аккумуляторов производят разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов, причем соотношение амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношение длительностей разрядного и зарядного импульсов τ определяется индивидуально для каждого типа аккумуляторов с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷10 и τ=0,1÷0,9 соответственно, амплитуда зарядного тока рассчитывается по среднему току в соответствии с требуемым временем заряда, причем время заряда колеблется от 7 минут до 4 часов в зависимости от требований заказчика, процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения, заряд щелочных аккумуляторов проводят в автоматическом режиме без приведения их в исходное состояние.

Способ ускоренного заряда щелочных аккумуляторов разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов, отличающийся тем, что соотношение амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношение длительностей разрядного и зарядного импульсов τ определяется индивидуально для каждого типа аккумуляторов с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷10 и τ=0,1÷0,9 соответственно, амплитуда зарядного тока рассчитывается по среднему току в соответствии с требуемым временем заряда, причем время заряда колеблется от 7 мин до 4 ч в зависимости от требований заказчика, процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения, заряд щелочных аккумуляторов проводят в автоматическом режиме без приведения их в исходное состояние.