СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ Российский патент 2011 года по МПК H02J7/02 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Данное изобретение относится к способу и устройству для восстановления, в форме регенерации, аккумуляторов (предпочтительно свинцовых), имеющих по меньшей мере один элемент. В этом способе и устройстве изменяющийся по величине постоянный ток, достаточный для генерации газа в аккумуляторе, подается от зарядного устройства в виде периодов подачи тока, чередующихся с периодами с существенно меньшим током, предпочтительно с периодами отсутствия тока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В заряженном свинцовом аккумуляторе, т.е. в свинцовой батарее, активным веществом на положительных электродах является двуокись свинца, PbO₂, а на отрицательных электродах - пористый металлический свинец. Когда аккумулятор разряжается, эти активные вещества превращаются в сульфат свинца PbSO₄ за счет сульфат-ионов, забранных из электролита, который содержит серную кислоту. В принципе, этот процесс представляет собой процесс, обратный зарядке. Традиционно при перезарядке непрерывным постоянным током у свинцовых аккумуляторов имеется ограниченная способность к перезарядке. Причина этого полностью не исследована, но предполагается, что на это влияет ряд факторов, таких как продукты разряда, имеющие ограниченную растворимость в электролите; предполагается также, что диффузия ионов двухвалентного свинца является лимитирующим фактором как при разрядке, так и при перезарядке. Кроме того, сульфат свинца - очень плохой проводник тока. Все эти обстоятельства часто приводят к проблемам, связанным с зарядкой свинцовых аккумуляторов, которые испытывают деградацию вследствие образования неактивных пленок сульфата свинца, препятствующих зарядке или уменьшающих емкость аккумулятора и, в конечном счете, делающих аккумулятор непригодным для использования. Кроме того, есть проблемы, связанные с различной плотностью электролита до и после зарядки, что приводит к образованию осадка и к уменьшению концентрации.

В международной публикации WO 94/28610 представлено решение указанных выше проблем с зарядкой аккумуляторов, главным образом свинцовых. Согласно этому документу, свинцовые аккумуляторы могут быть заряжены большим током, с очень хорошим результатом и без значительного повышения температуры, когда на аккумулятор подают импульсный постоянный ток, с паузами между импульсами, во время которых ток не подают совсем; при этом интервал между импульсами составляет приблизительно от 0,5 до 10 секунд.

Однако способ, описанный в международной публикации WO 94/28610, пригоден не для всех типов заряжаемых аккумуляторов. Также не представляется возможным контролировать процесс зарядки достаточно удовлетворительным образом.

В международной публикации WO 00/77911 описан способ восстановления аккумуляторов, предпочтительно свинцовых, имеющих по меньшей мере один элемент, в котором изменяющийся постоянный ток от зарядного устройства, достаточный для генерации газа в аккумуляторе, подают от зарядного устройства в виде импульсов, чередующихся с периодами, во время которых ток не подают совсем, при этом продолжительность импульсов подачи тока находится в интервале от 0,01 до 0,5 секунд, сила тока во время подачи импульсов тока находится в интервале от 80 до 1000 А, а паузы между импульсами имеют продолжительность от 1 до 20 секунд, и в котором в ходе восстановления регистрируют параметры процесса по меньшей мере для одного элемента аккумулятора, на основе которых производят управление процессом восстановления. Способ, описанный в указанном документе, действительно устраняет большую часть указанных выше проблем, но все же имеет ряд недостатков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной из целей данного изобретения является создание способа восстановления, в форме регенерации, аккумуляторов, при этом процессом восстановления управляют на основе периодов подачи тока, пауз и силы тока, величина которых зависит от контролируемых параметров процесса. Способ осуществляют посредством следующих этапов:

a) измерение доступной емкости аккумулятора, который подлежит восстановлению, посредством теста емкости,

b) выбор параметров восстановления в соответствии с результатом, полученным на этапе а),

c) использование первого набора начальных параметров, если измеренная емкость более 80%, использование второго набора параметров, если емкость менее 60%, и использование дополнительных критериев для выбора между первым и вторым наборами параметров, если емкость аккумулятора составляет между 60% и 80%,

d) выбор такой величины силы тока во время импульса тока, чтобы добиться величины напряжения на отдельном элементе более 2,5 вольт, но менее 3 вольт на пике импульса, что является отличным от традиционного способа контроля за напряжением аккумулятора при разомкнутой цепи, между импульсами.

Основной целью предлагаемых способа и устройства является осуществление процесса регенерации аккумуляторов, который не оказывает деструктивного действия на аккумулятор и превращает кристаллы «жесткого сульфата свинца» обратно в активное вещество. Кроме того, процесс восстановления должен выполняться с возможностью адаптации к каждой отдельной батареи и его контроля, не нанося аккумулятору механическое повреждение.

Другие цели изобретения станут очевидны при рассмотрении описания предпочтительного варианта выполнения изобретения, приведенного ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем устройство согласно изобретению, для осуществления способа согласно изобретению, будет описано со ссылкой на Фиг.1, который является блок-схемой предпочтительного варианта выполнения изобретения, и фиг.2, которая показывает зависимость увеличения емкости батареи от напряжения на элементе аккумулятора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 показана блок-схема предпочтительного варианта выполнения предложенного устройства 100. Устройство 100 предпочтительно содержит блок 105 подачи питания для подачи напряжения к блоку 130 питания в устройстве 100. Блок 130 питания, в свою очередь, питает трансформатор 140, напряжение с которого подают на ряд тиристоров 120.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения имеется три пары спаренных тиристоров 120, т.е. всего в сумме шесть тиристоров, формирующих два набора: один набор, содержащий три тиристора, включенных параллельно, каждый из которых управляет одной фазой на положительном полупериоде кривой синусоиды, и другой набор, содержащий три тиристора, включенных параллельно, каждый из которых управляет одной фазой, соответственно, на отрицательном полупериоде кривой синусоиды. Для специалиста очевидно, что было бы достаточно и одного набора тиристоров, но в таком варианте выполнения устройство просто будет выдавать половину мощности, по сравнению с вариантом выполнения, в котором используется два набора тиристоров. Как показано номером 121 позиции, тиристоры 120 соединены с аккумулятором 160 для подачи необходимого напряжения и тока на аккумулятор.

Тиристорами 120 управляет блок 110 управления. В предпочтительном варианте выполнения блок 110 содержит персональный компьютер (ПК) 112 (с традиционным оборудованием, таким как дисплей, мышь, жесткий диск, клавиатура и т.д.) и плату 117 триггера. Как показано, тиристорами 120 управляют управляющие сигналы 118 от платы 117. Платой 117 в свою очередь управляет ПК 112 (иногда ПК может управлять промежуточной платой управления, которая, в свою очередь, является средством управления платой 117). Как показано на фиг.1, для обеспечения питанием электронных компонентов в блоке 110 имеется преобразователь 107 переменного тока в постоянный. Кроме того, показано, что устройство 100 содержит блок 200 контроля температуры и схему 180 контроля напряжения.

Кроме того, устройство 100 предпочтительно содержит блок 150 проверки емкости, содержащий тиристор(ы) 152 и варистор 155.

Блок 110 управления управляет тиристорами 120, открывая и закрывая цепь 121 подачи питания, обеспечиваемого блоком 130 питания (который, в свою очередь, предпочтительно питается от общей электросети). Необходимыми для процесса напряжением и током управляет блок 110 управления через плату 117 путем управления сдвигом по фазе и временем открытия при переключении тиристоров 120 совместно с трансформатором 140. Кроме того, переменный ток выпрямляется тиристорами 120. После этого выпрямленный ток, как средство восстановления посредством отрегулированной электроэнергии, подают на аккумулятор 160, при этом параметры этого тока непрерывно регулируют на основе обратной связи 191 по питающему току от преобразователя тока 190, обратной связи 181 по достигнутому напряжению от схемы 180 контроля напряжения и обратной связи 201 по температуре от блока 200 контроля температуры. Согласно предпочтительному варианту выполнения, процессом управляют в течение всего времени процесса, а регулирование параметров процесса происходит автоматически в зависимости от изменения состояния аккумулятора в процессе.

Аккумулятор предпочтительно заряжают из разряженного состояния. Разрядку аккумулятора предпочтительно осуществляют при помощи блока 150 разрядки, размещенного в устройстве 100. Путем соединения 151 блока 150 разрядки с аккумулятором 160 (который затем следует зарядить) может быть достигнута полная разрядка аккумулятора 160. В течение этого процесса к блоку 110 поступает информация 153, на основании которой производят контроль фактической емкости/состояния заряжаемого аккумулятора.

Затем аккумулятор 160 соединяют с цепью 121 подачи питания, а также с блоками 180 и 200 контроля. После этого блоку 110 передается ряд начальных параметров для процесса, которые были выбраны по результату проверки емкости аккумулятора.

Если, например, для аккумулятора на 48 В (например, с первоначальной емкостью 560 А·ч), проверка емкости показала, что остаточная емкость/состояние аккумулятора составляет более 80% от первоначальной, в ПК 112 в предпочтительном случае могут быть установлены следующие начальные параметры: сила тока 350 ампер, период подачи питания 180 мс и пауза в 2 секунды. После этого начинают процесс, при котором ПК 112 управляет через плату 117 тиристорами 120, обеспечивая подачу питания на аккумулятор в соответствии с набором выбранных параметров процесса. В ходе процесса блоки 180, 190 и 200 контроля непрерывно передают информацию блоку 110. Преобразователь 190 тока осуществляет обратную связь 191 с блоком 110 путем подачи тока необходимой величины в пределах импульса в каждый период/импульс подачи тока. В соответствии с изобретением, по меньшей мере для большинства элементов аккумулятора 160 в течение импульса напряжение должно достигнуть по меньшей мере 2,5 вольт. Если сигнал 191 обратной связи определяет, что напряжение большинства элементов аккумулятора 160 не достигло 2,5 вольт, блок 110 изменяет настройки и увеличивает силу тока в период подачи тока, например на 10 ампер. Этот цикл управления будет продолжаться до тех пор, пока измеренный уровень напряжения не достигнет 2,5 вольт, при условии, что блок 200 температурного контроля не подаст на вход блока 110 сигнал о превышении температуры. Если блок 200 температурного контроля подает сигнал о том, что предварительно установленный уровень температуры достигнут, при условии, что требуемое напряжение не получено, блок 110 увеличивает время паузы между двумя периодами подачи тока, чтобы не допустить повышения температуры аккумулятора выше критического уровня. Блок 110 также контролирует, чтобы уровень напряжения на каждом элементе аккумулятора не превысил 3 вольта, иначе это повышенное напряжение может вызвать повреждение аккумулятора. Сразу после окончания периода подачи тока блок 180 контроля напряжения подает сигнал 181 обратной связи блоку 110. Следовательно, когда сигнал 181 обратной связи сигнализирует, что приближается пороговый уровень напряжения 3 вольта, блок 110 изменяет время периода подачи тока в сторону его сокращения, и/или снижает силу тока в течение последующего периода подачи тока.

Когда аккумулятор заряжен, его отрицательный и положительный электроды содержат соответственно свинец и оксид свинца, которые при разряде превращаются на обоих электродах в сульфат свинца. Сульфат свинца может существовать в форме электрохимически активной аморфной форму и электрохимически инертной кристаллической форме. В процессе регенерации для генерирования энергии, достаточной для разрушения кристаллической структуры сульфата свинца и эффективного превращения его в активную аморфную форму, используются импульсы тока большой амплитуды. В процессе практической работы было обнаружено, что уровнем энергии можно управлять путем измерения напряжения элементов аккумулятора. В процессе регенерации наблюдается значительная разница в ее эффективности при разных напряжениях, получаемых на элементах аккумулятора при импульсе, так что увеличение емкости имеет выраженный максимум при напряжении на элементах в пределах от 2,5 до 3 В.

Эмпирические данные, полученные за несколько лет работы в процессе регенерации множества аккумуляторов различных типов, иллюстрируются кривой на фиг.2, где по оси абсцисс отложено напряжение на элементе аккумулятора, а по оси ординат - величина, характеризующая увеличение емкости аккумулятора, измеренной в соответствии со стандартом IFC 60254. Указанная величина была получена как результат деления разности между величинами емкости аккумулятора после и до регенерации на величину емкости до регенерации.

Если напряжение на элементе слишком сильно и слишком быстро повышается, регенерация может быть завершена и может быть использован блок 150 разрядки для уменьшения плотности электролита и напряжения аккумулятора перед дальнейшим продолжением процесса регенерации.

Если вместо этого проверка емкости показала, что остаточная емкость/состояние аккумулятора менее 60%, могут быть выбраны следующие начальные параметры: сила тока 250 ампер, период подачи тока 180 мс и пауза в 3 секунды.

Далее процесс выполняют в основном точно таким же способом.

Хотя процесс восстановления предпочтительно выполняют за несколько циклов, например за 5-15 циклов, каждый цикл включает в себя этап регенерации и этап зарядки, например 6-9 часов регенерации и 1 час зарядки. Этап регенерации для аккумулятора 160, у которого остаточная емкость/состояние более 80% (то есть при использовании первого набора начальных параметров зарядки) будет более длительным (например, 9 часов), по сравнению с аккумулятором 160, у которого остаточная емкость/состояние составляет менее 60% (например, 6 часов). Этап зарядки может быть по существу одинаковым, не зависящим от емкости/состояния аккумулятора 160, например 0,5-2 часа. Предпочтительно величина силы тока в течение зарядки составляет менее половины величины силы тока, устанавливаемого на этапе регенерации, например от 40 до 70 А. Кроме того, установлено, что полезно использовать подачу переменного питания, то есть изменять силу тока в процессе зарядки, например произвольно изменять силу тока с периодичностью 10-30 секунд: начать зарядку, например, при токе 60 А в течение 20 секунд, затем - при 35 А в течение 20 секунд, затем при 55 А в течение 20 секунд, затем при 40 А в течение 20 секунд, и т.д.

Как указывалось выше, этап регенерации при использовании первого набора параметров процесса зарядки будет более длительным по сравнению с этапом, когда используют второй набор параметров. Другими словами, аккумулятор 160 с хорошей остаточной емкостью/состоянием может быть регенерирован "более интенсивно", чем аккумулятор 160, имеющий недостаточную остаточную емкость/состояние. Это приводит к более быстрому улучшению аккумулятора 160, имеющего хорошую остаточную емкость/состояние, что, в свою очередь, приводит к уменьшению необходимого количества циклов. Например, для аккумулятора 160, у которого остаточная емкость/состояние превышает 80%, может быть достаточно 5 циклов (9+1 часов) (всего 50 часов), тогда как для аккумулятора 160 с остаточной емкостью/состоянием менее 60% могут быть необходимы 10 циклов зарядки (6+1 час = всего 70 часов).

Блок 110 управления может регистрировать параметры процесса зарядки, которые фиксируют, например, блоком 200 контроля температуры и удельной электропроводности и блоком 180 контроля напряжения. Блок 110 для управления отдельным аккумулятором может также использовать общие данные для конкретного аккумулятора, а также и данные более старых процессов зарядки, которые могут быть доступны блоку управления, например, через соединение по сети или из локальных устройств хранения данных.

Изобретение не ограничено описанными выше вариантами выполнения, а может быть изменено в пределах объема притязаний формулы изобретения. Как очевидно для специалиста, различные блоки устройства 100 не обязательно должны размещаться в одном корпусе. Например, очевидно, что блок 115 разрядки может быть выполнен в виде отдельного устройства, также как блок 110 управления и/или блоки 180 и 200 контроля могут быть использованы отдельно с подключением их по сети или в виде модульных устройствах, которые могут, или не могут быть встроены в основной блок. Для специалиста очевидно, что соединения между различными блоками устройства 100 могут быть выполнены многими различными способами, например, цифровые сигналы могут быть переданы по проводам или беспроводным способом, либо по оптической линии передачи данных. Кроме того, специалисту понятно, что могут быть сделаны многочисленные модификации описанного изобретения, без отступления от идеи изобретения, например в отношении использования этого устройства на однофазном токе (в этом случае необходим только один тиристор или одна сдвоенная пара тиристоров), либо использования различных наборов начальных параметров, и т.д. Кроме того, очевидно, что процесс может быть усовершенствован и дополнен блоком контроля удельной электропроводности, который может быть интегрирован предпочтительно в схему 180. Работа этого блока может быть осуществлена посредством подачи малого тока к аккумулятору 160, который дает сигнал обратной связи блоку управления с информацией о фактической удельной электропроводности аккумулятора, значение которой, в свою очередь, может быть использовано для лучшей оптимизации восстановления. Кроме того, предусмотрено, что для каждого элемента аккумулятора, и не только в процессе восстановления, могут контролироваться и измеряться удельная электропроводность, напряжение, температура и плотность электролита посредством, например, беспроводных датчиков в каждом элементе. Очевидно, что такая конструкция обеспечивала бы еще лучший контроль в процессе восстановления согласно изобретению, а также позволяла бы осуществлять более качественное наблюдение за аккумулятором в ходе его эксплуатации.

Изобретение относится к области электротехники. Способ восстановления, в виде регенерации, аккумулятора (160), имеющего по меньшей мере один элемент, предпочтительно свинцовых аккумуляторов, в котором изменяющийся по величине постоянный ток, достаточный для генерации газа в аккумуляторе, подают от источника (130) питания в виде периодов подачи тока, чередующихся с паузами со значительно меньшим током, предпочтительно с периодами отсутствия тока. В ходе процесса восстановления регистрируют параметры процесса, на основе которых производят управление процессом восстановления. Технический результат - повышение механической прочности аккумулятора и продление срока его службы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ восстановления аккумуляторов, имеющих по меньшей мере один элемент, предпочтительно свинцовых аккумуляторов, в которых изменяющийся по величине постоянный ток, достаточный для генерации газа в аккумуляторе (160), подают от источника (120) питания в виде импульсов, чередующихся периодами со значительно меньшей величиной тока, предпочтительно периодами отсутствия тока,
процесс восстановления включает в себя этап регенерации и этап зарядки, причем на этапе регенерации используют следующие начальные параметры: период подачи питания длительностью от 0,01 до 1,5 с, силу тока в течение периодов подачи питания от 80 до 1000 А, паузы длительностью от 1 до 20 с, при этом на этапе регенерации регистрируют информацию о процессе восстановления по меньшей мере для одного элемента аккумулятора (160), которая используется для управления процессом восстановления, характеризующимся этапами:
a) измерения доступной емкости аккумулятора, который подлежит восстановлению, посредством теста емкости,
b) настройки параметров восстановления в соответствии с результатом, полученным на этапе (а),
отличающийся тем, что
в случае если указанная измеренная емкость составляет более 80%, этап регенерации осуществляют при меньшей продолжительности пауз между импульсами и в течение более продолжительного времени, чем в случае если указанная измеренная емкость составляет менее 60%, а
в процессе регенерации измеряют напряжения на элементах аккумулятора и, если напряжение на большинстве элементов не достигло величины 2,5 В, ток в течение последующих периодов подачи питания увеличивают, а если напряжение на элементе приближается к 3 В, уменьшают указанный ток или увеличивают длительность пауз между импульсами так, чтобы напряжение на каждом элементе не превысило 3 В, при этом для выпрямления тока и управления подачей тока на аккумулятор используют по меньшей мере один тиристор (120), на который подают питание от трансформатора (140), на который подают напряжение от блока (130) питания, который запитывают от общей электросети.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс восстановления выполняют за несколько циклов, предпочтительно от 1 до 30 циклов, каждый из которых включает в себя этап регенерации продолжительностью от 1 до 12 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе процесса восстановления контролируют продолжительность периодов подачи тока, которая может составлять от 0,01 до 0,5 с, предпочтительно по меньшей мере 0,1 с, или более предпочтительно по меньшей мере 0,15 с, самое большее 0,4 с, предпочтительно самое большее 0,25 с, и продолжительность пауз, которая может составлять от 1 до 20 с, предпочтительно от 1 до 10 с и более предпочтительно от 1 до 5 с, обычно приблизительно 3 с, при этом периоды подачи тока в предпочтительном случае являются значительно более короткими, чем паузы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что напряжение, достигнутое в течение периодов подачи тока, измеряют сразу же после окончания периода подачи.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная сила тока в течение по меньшей мере некоторых указанных периодов подачи тока составляет по меньшей мере 110 А, предпочтительно по меньшей мере 250 А и даже более предпочтительно по меньшей мере 350 А, но самое большее 1000 А.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап зарядки длится приблизительно от 0,5 до 2 ч, предпочтительно около 1 ч, и в предпочтительном случае используют подачу переменного питания в ходе зарядки, причем величина силы тока в течение зарядки предпочтительно составляет менее половины величины силы тока в течение периодов подачи тока.

7. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее блок (105, 130) подачи электропитания, трансформатор (140), блок (120) питания, блок (110) управления и блоки (180, 200) контроля параметров процесса, отличающееся тем, что
указанный блок (120) питания выполнен на базе по меньшей мере одного тиристора, который для выпрямления тока и для управления подачей выпрямленного тока и напряжения в способе восстановления аккумулятора (160) питается от трансформатора (140), причем напряжение на указанный трансформатор (140) подается от блока (130) питания, который питается от общей электросети,
устройство (100) содержит блок (150) разрядки, выполненный с возможностью измерения доступной емкости/состояния аккумулятора (160), подлежащего зарядке,
указанные блоки (180, 200) контроля параметров процесса передают блоку (110) управления ряд начальных параметров процесса, выбранных по результату измерения указанной доступной емкости/состояния аккумулятора (160), так что на этапе регенерации используют следующие начальные параметры: период подачи питания длительностью от 0,01 до 1,5 с, силу тока в течение периодов подачи питания от 80 до 1000 А, паузы длительностью от 1 до 20 с,
при этом указанный блок (110) управления управляет по меньшей мере одним тиристором, открывая и закрывая цепь подачи питания в соответствии с выбранным набором параметров процесса, причем блок (110) управления обменивается данными с блоками (180, 200) контроля параметров процесса путем подачи тока необходимой величины в пределах импульса в каждый период/импульс подачи тока, так что
в случае если указанная измеренная емкость составляет более 80%, указанный блок (110) управления выполнен с возможностью осуществления регенерации при меньшей продолжительности пауз между импульсами и в течение более продолжительного времени, чем в случае если указанная измеренная емкость составляет менее 60%, а также
блок (110) управления выполнен с возможностью на этапе регенерации увеличения силу тока в последующие периоды подачи тока, если напряжение на большинстве элементов не достигло величины 2,5 В, и
уменьшения силы тока или увеличения длительности пауз между импульсами так, чтобы напряжение на каждом элементе не превысило 3 В, если напряжение на элементе приближается к 3 В.

8. Устройство по п.7, содержащее по меньшей мере два тиристора (120) на фазу.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанный блок (110) управления содержит плату (117) триггера, управляющую тиристором(ами) (120).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанная плата (117) триггера находится под управлением блока (112) ПК.