СПОСОБ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ С КОМПОНОВКОЙ ИХ В СИСТЕМУ ПО ПРИНЦИПУ РАЗДЕЛЕНИЯ ЕМКОСТЕЙ Российский патент 2008 года по МПК H02J7/00 

Изобретение используется в электротехнике для зарядки аккумуляторов и батарей от зарядного устройства в составе схемы зарядной сети вида 362614. При этом аккумуляторы компонуют в систему по принципу разделения емкостей и заряжают токами, соответствующими измеренной емкости аккумуляторов, а систему в целом суммой этих токов. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности зарядного процесса, повышение эффективности использования зарядной сети за счет повышения коэффициента загрузки зарядного устройства по мощности и за счет повышения процента одновременности зарядки батарей, обслуживаемых данным зарядным устройством.

Изобретение относится к электротехнике, способам зарядки аккумуляторных батарей.

В практике эксплуатации зарядных сетей однотипные аккумуляторы и батареи заряжают группами, от стандартных выпрямительных агрегатов, которые поддерживают установленный ток со стабильностью ±10%, например ВАКЗ-1-40.

Обслуживаемые аккумуляторы согласно их техническому описанию и инструкции по эксплуатации, например никель-кадмиевые [Аккумуляторы и батареи аккумуляторные щелочные никель-кадмиевые и никель-железные. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 0.358.011ТО1], могут отличаться по средней емкости на 20% и более.

Известны способы и устройства, позволяющие повысить энергетическую эффективность и надежность зарядного процесса с указанным разбросом параметров обслуживаемых аккумуляторов, при зарядке групп аккумуляторных батарей.

Одним из решений [Патент Российской Федерации RU 2156533, 29.04.1999] является нивелирование разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторных батарей или батареях; причем энергия разбаланса перераспределяется с помощью одного трансформатора между всеми ячейками или батареями. Точность нивелирования напряжений между ячейками зависит от идентичности параметров цепей выравнивания. Число последовательно соединенных элементов может достигать 30.

Недостатками способа являются зависимость энергетической эффективности зарядного процесса от разброса исходных параметров заряжаемых аккумуляторов и влияние собственных нелинейностей элементов цепи выравнивания (трансформатор, диод, конденсатор) на зарядный ток, соответствующий нелинейности «нормального режима» аккумуляторов [Аккумуляторы и батареи аккумуляторные щелочные никель-кадмиевые и никель-железные. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 0.358.011ТО]. В качестве прототипа выбрана система [Патент Российской Федерации RU 2134477, 26.12.1996] автоматизированной зарядки большого количества аккумуляторных батарей, содержащая М модулей с источниками питания; N распределительно-коммутационных блоков, число которых зависит от общего числа зарядных ячеек; L зарядно-разрядных каналов с функцией зарядного устройства, включающих в себя зарядную ячейку с находящимся в ней подключенным аккумулятором. Модули объединены общей магистралью адресов и данных с головной ЭВМ, оснащенной специальным программным обеспечением, осуществляющим автоматический контроль и управление процессом зарядки/разрядки аккумуляторных батарей путем анализа их измеренных электрических характеристик (ток и напряжение), принятие решений об изменении режима зарядка/разрядка и подачу команд об изменении режима, а также представление полученных данных в удобном для пользователя виде.

Такая зарядная система сложна и громоздка. Зарядный процесс в ней неэффективен из-за большого числа элементов зарядного устройства, включенных в цепь зарядного тока отдельного аккумулятора или батареи, а управляющая программа не измеряет и не анализирует реальную емкость аккумулятора в качестве его электрохимической характеристики.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является поддержание электрических характеристик и надежности аккумуляторов и батарей, заряжаемых группами и могущих иметь отличающиеся (до 20% и более) значения измеренной электрической емкости.

Поставленная задача решается путем компоновки заряжаемых аккумуляторов и батарей в систему по принципу разделения емкостей. Для этого заряжаемые аккумуляторы или батареи разделяются на группы, включающие в себя однотипные и близкие по значению их измеренной емкости аккумуляторы или батареи; с равным числом последовательно соединенных аккумуляторов в разных группах. Зарядка групп аккумуляторов производится одновременно и параллельно, как системы, от одного источника или зарядного устройства, формирующего системный зарядный ток, определяемый как сумма токов в группах. Ток в группе определяется как зависимый от измеренной емкости аккумуляторов в группе.

Компоновка аккумуляторов в систему по принципу разделения емкостей позволяет использовать перераспределение системного тока между группами аккумуляторов для выравнивания напряжения в группах, а перераспределение напряжений внутри групп для выравнивания процесса по времени, к его завершению.

Использование предлагаемого способа повышает эффективность зарядного процесса, что выражается в возможности:

- уменьшения на величину до 10% разбаланса напряжений на последовательно включенных аккумуляторах за счет сокращения их разноемкости;

- включать в одну из групп системы близкие по емкости аккумуляторы одного типа, а в другую группу - близкие по емкости аккумуляторы другого типа, при условии принадлежности всех одновременно заряжаемых аккумуляторов одной и той же электрохимической системе;

- упростить определение конца зарядки системы аккумуляторов, критериями которого являются достижение на системе определенного порогового напряжения и минимум перераспределения тока между группами;

- снижения вероятности недозарядки, перезарядки и превышения температуры аккумуляторов за счет перераспределения зарядных токов и напряжений в системе.

Способ повышает эффективность использования зарядной сети за счет повышения коэффициента загрузки зарядного устройства по мощности и процента одновременности зарядки батарей, обслуживаемых данным зарядным устройством.

На фиг.1 приведена, для примера, характеристика нормального режима 1 никель-кадмиевого аккумулятора, заряжаемого током соответствующим его номинальной емкости, в течение 6 часов [Аккумуляторы и батареи аккумуляторные щелочные никель-кадмиевые и никель-железные. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 0.358.011ТО]. Для данного способа зарядки аккумуляторов принято допущение, что зарядка аккумулятора, имеющего пониженную емкость, пропорционально сниженным (относительно номинального) зарядным током, является нормальным режимом для этого аккумулятора. Семейства характеристик 2, 3 отражают протекание процессов перераспределения тока и напряжения в заряжаемой системе аккумуляторов.

На фиг.2 показана в общем виде схема зарядки аккумуляторов способом их компоновки в систему по принципу разделения емкостей. Процесс компоновки в систему СЗЯ (8) аккумуляторов или батарей, которые подключены к коммутируемым зарядным ячейкам, осуществляется автоматически ЭВМ (1) или вручную оператором (2), с помощью компонующего коммутационного устройства ККУ (4). Процесс зарядки системы аккумуляторов от зарядного устройства ЗУ (3) контролируется автоматически или оператором. В состав зарядного устройства включено устройство УИРЗК (6) с элементами измерения, регулирования и защиты для групп аккумуляторов заряжаемой системы, включенных в соответствующие каналы К (7). Источник зарядного тока ИЗТ (5) формирует ток в системе.

Предлагаемый способ зарядки системы аккумуляторов осуществляется следующим образом.

1.Компоновка и зарядка

Процессы компоновки (ККУ) системы (СЗЯ) аккумуляторов по группам (К) из общего числа заряжаемых аккумуляторов и их зарядки (ЗУ) могут осуществляться автоматически с помощью средств вычислительной техники по специально разработанной программе (ЭВМ), учитывающей потерю емкости и степень заряженности аккумулятора. Для этого аккумуляторы или батареи должны быть подключены к персонифицированным ячейкам ККУ.

Компоновка и зарядка могут быть произведены вручную, оператором, по данным журнала регистрации состояния аккумуляторов, результатам проведения КТЦ и показаниям приборов УИРЗК.

2. Определение тока и времени зарядки

Значение зарядного тока для групп может быть определено по эмпирическим формулам, например по формуле

i_зг=С_изм/Т_инд,

где i_зг - определяемый зарядный ток в группе;

С_изм - сумма измеренных значений емкости всех аккумуляторов в группе;

Т_инд - сумма индивидуальных значений времени зарядки аккумуляторов, которое отсчитывается для каждого аккумулятора по нормальной характеристики (фиг.1) от точки начального напряжения до точки конца зарядки.

Определение момента конца зарядки по пороговому напряжению облегчается максимальным схождением семейств характеристик режимов, близких нормальному (см. фиг.1).

3. Источник и зарядное устройство

Источником в зарядном устройстве может служить кремниевый выпрямительный агрегат, например ВАКЗ-1-40, поддерживающий заданный ток в непрерывном режиме.

Для зарядки системы аккумуляторов может быть использовано импульсное зарядное устройство, например автоматическое зарядное устройство серии RLEC фирмы «Michael Riedel», когда эффективность процесса зарядки может быть повышена за счет сканирования состояния системы дифференцированных по емкости аккумуляторов.

В результате применения предлагаемого способа повышается эффективность процесса зарядки более чем на 10÷15%. Эффективность эксплуатации существующих зарядных сетей в некоторых случаях может повыситься на 30% и более.

Способ зарядки аккумуляторов с компоновкой их в систему по принципу разделения емкостей характеризуется тем, что аккумуляторы разделяют на группы, включающие в себя однотипные и близкие по значению их измеренной емкости аккумуляторы, с равным числом последовательно соединенных аккумуляторов в разных группах. Заряжают группы одновременно и параллельно от одного источника, формирующего зарядный ток, определяемый как сумма токов, зависимых от измеренной емкости аккумуляторов в группах. Техническим результатом является повышение эффективности процесса зарядки более чем на 10-15%. 2 ил.

Способ зарядки аккумуляторов с компоновкой их в систему по принципу разделения емкостей, при котором аккумуляторы или батареи разделяют на группы, включающие в себя однотипные и близкие по значению их измеренной емкости аккумуляторы или батареи, с равным числом последовательно соединенных аккумуляторов в разных группах, и заряжают группы аккумуляторов одновременно и параллельно, как систему, от одного источника или зарядного устройства, формирующего системный зарядный ток, определяемый как сумма токов, зависимых от измеренной емкости аккумуляторов в группах.