СПОСОБ ЗАРЯДА ТЯГОВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2007 года по МПК H01M10/44 H02J7/02 

Настоящее изобретение относится к области электротехники и касается способов заряда тяговых аккумуляторов (кислотных и щелочных), работающих в условиях длительных и многоразовых периодов заряда и разряда на транспортных средствах при широком диапазоне изменения наружных температур (от -40 до +40°С).

Одним из серьезных недостатков существующих способов заряда, реализуемых в условиях работы тяговых аккумуляторов на подвижном составе, является отсутствие возможности во всем диапазоне наружных температур для всех климатических зон России создать необходимый закон изменения зарядного тока для сообщения аккумуляторным батареям номинальной емкости, исключая при этом достижение электролитом недопустимых температур в жаркий период работы подвижного состава.

Эти сложности при реализации необходимого классического зарядного тока у тяговых аккумуляторных батарей, работающих на подвижном составе, особенно на современных пассажирских вагонах с номинальной емкостью 300-350 А·г, связаны с тем, что питаемые от аккумуляторов мощные электропотребители требуют жесткого соединения с зарядным устройством (буферный режим работы аккумуляторной батарей с заряжающим ее генератором и электропотребителями). При таком режиме работы аккумуляторов практически очень сложно осуществлять регулирование зарядного тока аккумуляторов в необходимых пределах из-за необходимого в этом случае еще более сложного закона регулирования зарядного напряжения, диапазон изменения которого задан узким допустимым диапазоном изменения этого же напряжения на электропотребителях.

По изложенным причинам алгоритм заряда аккумуляторных батарей на подвижном составе проводиться на первом этапе (дающим около 50-60% заряда) стабильным постоянным значением тока, а далее из-за обеспечения исключения перегрева электролита заряд продолжается постоянным значением напряжения, величина которого определяется наружной температурой (Инструкция по эксплуатации комплекта электрооборудования ЭВА - 110.08.03 "Кросна-Электра" 2005 год, с.6-7).

Однако при таком способе заряда щелочные аккумуляторные батареи даже при положительных наружных температурах получают только 65-70% необходимой энергии от необходимой номинальной, а кислотные аккумуляторы 70-80%, но при этом из-за длительной второй фазы заряда при стабильном напряжении, сопровождающейся неуправляемой величиной тока, последний достигает в летнее время недопустимых значений, резко снижающих срок службы аккумуляторов. Для ликвидации этого явления приходиться снижать уровень конечного зарядного напряжения (напряжения стабилизации) на второй стадии заряда, что приводит к большому хроническому недозаряду и более глубокому разряду, а значит, низким значениям плотности электролита и повышению скорости сульфитации активных масс электродов.

Известно использование способа заряда тяговых аккумуляторных батарей, когда заряд проводят двухступенчатым способом, когда на первой стадии проводят номинальным током до достижения заданного расчетного процента от номинальной емкости, исключающим повышение температуры электролита до недопустимого уровня, а на второй стадии ведут заряд током величиной, определяемой исходя из минимально допустимого времени достижения аккумулятором максимальной емкости, но не превышающим допустимого номинального значения температуры электролита в конце заряда, рассчитанной по математической модели в конце заряда на второй стадии (патент RU №209122, класс K01М 10/44 от 09.01.96 г.)

Однако при таком способе заряда тяговых аккумуляторных батарей на подвижном составе, в частности пассажирских вагонах с 110 В системой электроснабжения, придется создавать сложную программную систему управления с постоянным контролем температуры электролита, что снизит надежность всего электрооборудования подвижного состава, а кроме того, сделает неприемлемым диапазон изменения напряжения на электропотребителях.

Для обеспечения полноценного заряда тяговых аккумуляторных батарей при сохранении простейших параметрических регулировочных характеристик, исключающих недопустимый перегревов электролита, в процессе исследований различных способов заряда для различных типов тяговых аккумуляторных батарей был разработан оригинальный способ без непосредственного контроля температуры электролита и исключающий существенные изменения напряжения на электропотребителях.

Новый способ заряда заключается в том, что после проведения заряда стабильным номинальным током на первой стадии до достижения напряжением конечного значения, величина которого обеспечивает получение не менее 80% ее номинальной емкости, которое известно для каждого значения наружной температуры, проводят измерения темпа снижения тока заряда.

В момент достижения конечного значения напряжения у всех типов тяговых аккумуляторов всегда происходит снижение зарядного тока, темп снижения которого зависит от температуры электролита и внутреннего сопротивления аккумуляторов. Поэтому достаточно задание времени измерения (1-2 мин) (для разного типа тяговых аккумуляторов эта величина в минутах, выбирается как 1% от общего времени заряда батареи). И если этот темп ниже, чем заранее установленный для разного типа аккумуляторов (как правило не менее 5 А за 1 мин), производят снижение стабильного напряжения на 3-4 В, что в свою очередь однозначно вызовет снижение зарядного тока.

Реализация нового способа заряда иллюстрируется на чертеже применительно к заряду кислотной свинцовой батареи 52 PzS350P, используемой на современных комфортабельных пассажирских вагонах с системой электроснабжения 110 В, (при положительных наружных температурах), где U зар, и I зар соответственно напряжение и ток заряда, t_λ - момент начала второй стадии заряда.

Если спустя некоторое время снижение зарядного тока на второй стадии через измеренный период будет менее установленной величины (как правило 5 А/мин), то повторно проводятся снижение напряжения еще на 3-4 В, что способствует еще более быстрому дальнейшему снижению зарядного тока. Такой контроль тока на второй стадии заряда позволяет проводить дозаряд аккумуляторной батареи до получения номинальной емкости практически во всем диапазоне наружных температур максимально возможным значением тока в течение длительного времени, имеющем место в процессе движения подвижного состава, исключая недопустимый перегрев электролита.

При этом разработанный способ заряда позволяет также автоматически осуществить защиту электрооборудования подвижного состава и от тока перегрузки, возникающего при выходе из строя одного или нескольких аккумуляторов в цепи батареи, из-за неуправляемого тока ее заряда при стабильном напряжении, что приводит к ее перезаряду и недопустимому газообразованию в аккумуляторных ящиках, что повышает взрывобезопасность самой аккумуляторной батареи.

При контроле темпа изменения тока при работе батареи в аварийном режиме при отсутствии быстрого снижения тока или, наоборот, его нарастания, также автоматически происходит снижение напряжения и принудительное дальнейшее снижение зарядного тока с одновременной сигнализацией на пульте управления вагона об аварийном состоянии аккумуляторной батареи.

То есть разработанный способ заряда позволяет еще и осуществлять защиту и постоянную диагностику состояния аккумуляторной батареи.

Экспериментальные исследования, проведенные в стендовых условиях с разными типами кислотных и щелочных вагонных аккумуляторов с блоком управления зарядом и регулирования напряжения вагонного генератора, реализующим указанный способ, показали, что заряд аккумуляторной батареи за 10 часов времени с небольшими перерывами (имитация движения вагона) проходит до получения полной номинальной емкости, а температура электролита за этот период времени не превышает окружающую температуру воздуха более чем на пять градусов. При аварийном режиме (имитация выхода из строя нескольких аккумуляторов в цепи батареи) происходило автоматическое ступенчатое уменьшение зарядного напряжения и, как следствие, ограничение зарядного тока и срабатывание сигнализации о аварийном состоянии аккумуляторной батареи.

Полученные результаты по применению нового способа заряда по сравнению со всеми известными не привели к существенному усложнению системы управления зарядом аккумуляторной батареи, существующей на серийном железнодорожном подвижном составе, и позволили обеспечить полноценный заряд аккумуляторов, практически исключив недопустимые превышения температуры электролита, предохраняя от разложения активные массы их электродов, повысив также пожаро- и взрывобезопасность батарей.

В настоящее время разработанный способ заряда тяговых аккумуляторных батарей, реализованный в системе управления и регулирования вагонными генераторами, успешно проходит эксплуатационные испытания на серийных пассажирских вагонах модели 61-4179 Тверского вагоностроительного завода.

Изобретение относится к электротехнике и касается тяговых аккумуляторов среднего класса заряда (класс М по международной классификации). Технический результат - обеспечение полноценного заряда тяговых аккумуляторов в широком диапазоне наружных температур (от -40 до +40°С) с одновременным исключением возможности недопустимого перегрева электролита, что особо важно для аккумуляторов, работающих в буферном режиме соединения, и их потребителей, как это имеет место на большинстве транспортных средств подвижного состава. При заряде посредством косвенного метода контроля температуры электролита без использования датчиков его температуры сначала заряд проводят стабильным значением номинального тока до достижения допустимого конечного значения напряжения, а затем при достижении конечного стабильного напряжения заряда, заранее известного для каждого типа аккумуляторов, величина которого зависит от наружной температуры, исключающего перегрев электролита, а далее измеряют скорость изменения тока заряда при стабильном напряжении заряда и в зависимости от величины его изменения в обратно пропорциональной зависимости проводят изменение (снижение) стабильного значения напряжения заряда на второй стадии заряда. При этом время изменения скорости снижения тока на второй стадии заряда определяют как один процент от минимально допустимого времени заряда батареи, а изменение величины зарядного напряжения проводят ступенчато многократно до необходимой величины снижения тока заряда на второй стадии. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заряда тяговой аккумуляторной батареи, осуществляемой в две стадии, когда величина тока заряда на первом этапе определяется в зависимости от величины номинальной емкости и степени заряда батареи в течение времени, определяемом достижением электролита заданной расчетной температуры, а на второй стадии ток заряда устанавливается в зависимости от реальной температуры электролита и минимального допустимого времени заряда батареи, отличающийся тем, что окончание первой стадии заряда определяют по достижении заранее заданного значения конечного напряжения заряда, пропорционального наружной температуре, а необходимая величина тока заряда на второй стадии определяется обратно пропорционально величине его изменения на заданном отрезке времени, отчитываемом от начала второй стадии заряда, за счет изменения значения конечного зарядного напряжения, обратно пропорционально темпу изменения тока на измеряемом отрезке времени.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время измерения изменения тока после достижения конечного значения зарядного напряжения определяется как один процент от минимально допустимого общего времени заряда батареи.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменения величины конечного значения напряжения заряда на второй стадии проводят многократно ступенчато до достижения допустимого значения тока на второй стадии заряда.