СПОСОБ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ ЗАКРЫТЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПРИ ПОМОЩИ ЗАРЯДА АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ Российский патент 2011 года по МПК H01M10/44 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования и восстановления емкости химических источников тока, и может быть использовано для формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей перед вводом в эксплуатацию при изготовлении и после длительного хранения.

Известен способ заряда и восстановления аккумулятора [Патент РФ №2226019, H01M 10/44, 2002], в котором заряд аккумулятора проводят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты. Частоту импульсов, составляющих зарядный импульс, выбирают в пределах 3÷30 КГц. Импульсы тока высокой частоты приводят к механической вибрации аккумулятора с такой же частотой, что интенсифицирует электрохимические процессы, улучшает доступ электролита к активной массе электродов, улучшает условия движения газов для осуществления процесса рекомбинации. Благодаря импульсам разряда происходит измельчение крупнокристаллических структур на поверхностях элементов аккумулятора, чему способствуют и возникающие в аккумуляторе механические колебания. Однако при данном способе возможны механические повреждения активной массы и основы электродов. Кроме того, формирование зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты приводит к увеличению амплитудных значений токов, что увеличивает газообразование и омические потери в батарее.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату является способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током [Патент РФ №2313864, H01M 10/44; H02J 7/10, 2006], в котором с целью сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых батарей формирование и восстановление емкости проводят заряжая аккумуляторные батареи асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 220±20 мс и разрядного импульса 15±5 мс с паузами между ними 0÷2 мс. Амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,6 от номинальной емкости. Процесс заряда прекращают при сообщении аккумулятору 120÷150% номинальной емкости, что прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов. Это приводит к снижению прироста разрядной емкости от цикла к циклу и, как следствие, к увеличению числа зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора номинальной емкости, т.е. увеличивается общее время формирования и восстановления емкости.

Задачей заявленного изобретения является сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей за счет сокращения числа заряд-разрядных циклов.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда аккумулятора разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при отношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, введены новые признаки: амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата - сокращение числа заряд-разрядных циклов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что амплитуду зарядного импульса увеличивают до значения, равного 0,8 от номинальной емкости, что дает возможность вести заряд закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей асимметричным током повышенной плотности. Заряд на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 250÷500% номинальной емкости. Заряд на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 120÷250% номинальной емкости. Сообщение аккумулятору на первом цикле формирования и восстановления зарядной емкости менее 250% номинальной емкости прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов, что снижает прирост разрядной емкости на последующих циклах. Сообщение аккумулятору свыше 500% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору на последующих циклах формирования и восстановления емкости ниже 120% номинальной емкости не дает прироста разрядной емкости. Сообщение аккумулятору свыше 250% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору и аккумуляторной батарее на первом цикле зарядной емкости в выбранных пределах создает условия непрерывности процесса преобразования активной массы, а выбранные пределы сообщения зарядной емкости на последующих циклах создают эффект увеличения прироста разрядной емкости от цикла к циклу, вследствие чего число зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора аккумулятором и аккумуляторной батареей номинальной емкости, сокращается. Введение новых признаков позволяет получить эффект, который предусмотрен в задаче, а именно: сократить общее время, необходимое для набора аккумулятором номинальной емкости.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники.

Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его исполнения, конкретных формах его материального воплощения либо особых условиях его использования, а именно: заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.

За счет реализации совокупности признаков, указанных в предложенном техническом решении, обеспечивается значительное сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

Заявленный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током проверяли на четырех группах аккумуляторов (по три аккумулятора в каждой группе) номинальной емкостью 20 А·ч при формировании свежеизготовленных аккумуляторов - группа один (аккумуляторы №1, №2 и №3) и группа два (аккумуляторы №4, №5 и №6); при восстановлении емкости аккумуляторов после длительного хранения - группа три (аккумуляторы №7, №8 и №9) и группа четыре (аккумуляторы №10, №11 и №12).

Формирование емкости первой группы аккумуляторов в количестве трех штук (№1, №2, №3) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 450% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости первой группы аккумуляторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты формирования емкости аккумуляторов №1, №2, №3 №№ циклов Заряд Разряд Ток, А С_заряда, А·ч Ток, А С_{разряда}, А·Ч №1 №2 №3 С_ср 1 10 90 10 13,20 14,27 13,92 13,80 2 10 40 10 17,51 16,69 18,03 17,41 3 10 40 10 19,51 21,75 20,01 20,42

Формирование емкости второй группы аккумуляторов в количестве трех штук (№4, №5, №6) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах формирования прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 A до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости второй группы аккумуляторов представлены в таблице 2.

Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа формирования емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в трехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов формирования по сравнению со способом-прототипом.

Восстановление емкости третьей группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№7, №8, №9), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного

Таблица 2 Результаты формирования емкости аккумуляторов №4, №5, №6 №№ циклов Заряд Разряд Ток, А С_заряда, А·ч Ток, А С_{разряда}, А·Ч №4 №5 №6 С_ср 1 8 30 10 9,01 9,86 10,11 9,66 2 8 30 10 11,53 10,90 10,25 10,89 3 8 30 10 10,35 11,29 11,83 11,16 4 8 30 10 11,21 12,43 12,75 12,13 5 8 30 10 13,46 13,95 14,18 13,86 6 8 30 10 14,57 15,13 15,79 15,16 7 8 30 10 16,52 18,64 19,61 18,26 8 8 30 10 18,04 19,51 19,95 19,17 9 8 30 10 19,16 20,18 20,81 20,05

импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 250% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №7 - 15,47 А·ч, аккумулятора №8 - 17,25 А·ч, аккумулятора №9 - 16,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты восстановления емкости аккумуляторов №7, №8, №9 №№ циклов Заряд Разряд Ток, А С_заряда, А·ч Ток, А С_{разряда}, А·ч №7 №8 №9 С_ср 1 10 50 10 20,21 20,68 20,36 20,42 2 10 40 10 20,38 20,89 20,44 20,57

Восстановление емкости четвертой группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№10, №11, №12), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах восстановления емкости прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №10 - 16,10 А·ч, аккумулятора №11 - 15,25 А·ч, аккумулятора №12 - 17,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 4.

Таблица 4 Результаты восстановления емкости аккумуляторов №10, №11, №12 №№ циклов Заряд Разряд Ток, А С_заряда, А·ч Ток, А С_{разряда}, А·ч №10 №11 №12 С_ср 1 8 30 10 18,01 18,86 17,11 17,99 2 8 30 10 18,93 19,31 18,25 18,83 3 8 30 10 19,35 20,19 19,83 19,79 4 8 30 10 20,15 20,95 20,24 20,45

Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа восстановления емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в четырехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов восстановления емкости по сравнению со способом-прототипом.

Предлагаемый способ может быть реализован и в частном случае (в зависимости от типа аккумуляторов), когда заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.

Использование: в электротехнике, для сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Сущность изобретения: поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторов ведут стабилизированным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительностях зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, с амплитудами зарядного импульса, численно равными 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первых циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости. Технический результат - сокращение числа заряд-разрядных циклов формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷10 мс с паузами между ними 0÷2 мс, отличающийся тем, что амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первых циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зарядный и разрядный импульсы асимметричного тока каждый состоят из последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения среднего значения разрядного импульса асимметричного тока к среднему значению зарядного импульса асимметричного тока.