СПОСОБ ЗАРЯДКИ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА, РАЗРЯЖЕННОГО НИЖЕ ДОПУСТИМОГО УРОВНЯ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к способам и устройствам для зарядки литий-ионных (Li-Ion) электрических аккумуляторов от сети переменного или постоянного тока через преобразователи.

Зарядка и разрядка литий-ионных аккумуляторов отличаются множеством особенностей и потенциальными возможностями совершенствования.

Зарядку, на сегодняшний день, осуществляют, по общепринятой методике, как правило, в два непрерывных этапа (две фазы зарядки): сначала при постоянном токе, а при достижении на аккумуляторе номинального напряжения зарядное устройство автоматически переходит в режим питания аккумулятора постоянным напряжением. За 1-1,5 ч исправная батарея заряжается полностью. Отключение внешнего питания происходит в зарядном устройстве/в батарее также автоматически. Разрядку же осуществляют, по инструкции, не до нулевого значения напряжения, а до определенного «критического» значения, например 2,2 В, ниже которого последующая зарядка становится проблематичной. Не исключен выход такой «переразряженной» батареи из строя.

В литературных и патентных источниках не обнаружены какие-либо сведения о способах зарядки (теперь уже правильнее говорить - восстановления или образнее - «реанимации») переразряженных литий-ионных аккумуляторов.

Известен, правда, способ восстановления и зарядки не литий-ионных, а кислотных и щелочных свинцовых «автомобильных» аккумуляторов, а также кадмий-никелевых (с соответствующими зарядными устройствами), получивший название «импульсная зарядка» [Импульсная система зарядки батарей. //https://docs.google.com/document/pub?id=1kYF96xDpz7tMH17HA1w8zxZwh2_L5yAkMtkAlllzF4o; Зарядка автомобильного аккумулятора (как заряжать аккумулятор автомобиля). // http://www.avto3.com/Battery/battery.html. Раздел 2.5 «Зарядка аккумулятора импульсным током», рис.1.1].

Однако, во-первых, эффективность применения такого способа выявлена и рекомендована для аккумуляторов типов, не включающих в себя литий-ионные, обладающие другими, специфическими особенностями. Иными словами, применимость известного импульсного способа восстановления и зарядки аккумуляторов аккумуляторам типа Li-Ion не была установлена (вопрос оставался открытым).

Во-вторых, в известном способе импульсной зарядки импульсы подаются принудительно, с постоянной скважностью, безотносительно к «поведению» (текущему состоянию) самого аккумулятора. Смысл критического характера последнего замечания станет понятен из последующего изложения материала данной заявки.

В-третьих, длительность каждого импульса составляет всего микросекунды.

Далее, для постоянного поддержания запасенной в аккумуляторе электроэнергии и во избежание глубокой его разрядки известно, например, применение способа эксплуатации аккумуляторной батареи гибридного автомобиля/электромобиля («Способ зарядки литий-ионного аккумуляторного элемента…»), который тоже можно назвать «импульсной зарядкой» [RU 2471276, H02J 7/04, H01M 10/44, 27.12.2012].

Способ заключается в том, что определяют, снизилась ли степень аккумулирования литий-ионного аккумуляторного элемента до первого заданного значения. Определяют, находится ли гибридное транспортное средство в состоянии остановки. Осуществляют зарядку литий-ионного аккумуляторного элемента до второго заданного значения при остановке движения гибридного транспортного средства. На этапе зарядки период разделяется на два или более раздельных периодов зарядки и периодов без зарядки. Зарядка осуществляется в раздельный период зарядки. Приостановку зарядки или разрядку осуществляют в период без зарядки. Длительность каждого из раздельных периодов зарядки составляет не менее чем 40 секунд. На этот раз скважность переменна, но по-прежнему никак не привязана к каким-либо самопроизвольным отказам аккумулятора заряжаться, определяется алгоритмом цикла движения автомобиля на местности (переменная скважность «разрядка-зарядка» аккумуляторной батареи соответствует переменной скважности «движение-стоянка автомобиля»).

Описанная «импульсная зарядка» осуществляется посредством устройства управления зарядкой, на второй фазе - зарядки батареи при постоянном напряжении, причем с неоднократным автоматическим принудительным прерыванием зарядного тока для перехода в режим рабочей разрядки и автоматическим принудительным возобновлением зарядки на кратковременных стоянках автомобиля, когда в рабочей разрядке аккумулятора нет необходимости. Технический результат заключается в предотвращении снижения емкости аккумулятора. Вот почему скважность зарядки в общем эксплуатационном периоде определяется «скважностью стоянок автомобиля, например на перекрестках и в пробках. Такой процесс не затрагивает область начальной зарядки полностью разряженного аккумулятора.

Нас же в данном случае интересует поведение аккумулятора в области «критической» и «закритической» его разрядки. И не всякого типа аккумулятора, а литий-ионных аккумуляторов. Ибо универсальных «рецептов» здесь нет и быть не может.

В многочисленных инструкциях и рекомендациях по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов пользователей предупреждают:

«Глубокий разряд станет для аккумулятора стрессом и может лишь сократить срок службы. Если же защитное отключение произошло, ни в коем случае не оставляйте батарею разряженной надолго - стоит поскорее зарядить ее хотя бы до 30-40% емкости. Литий-ионные и литий-полимерные батареи бывают различных размеров и формы, но правила хорошего тона в обращении с ними одинаковы для всех разновидностей. Не оставляйте батарею разряженной надолго. Через несколько недель вследствие саморазряда напряжение севшей батареи упадет ниже критического, до 2,2-2,9В. При этом схема защиты переведет батарею в «спящий» режим и отключится. После чего штатное зарядное устройство, скорее всего, не сможет ее вывести из этого состояния» [Как продлить жизнь литий-ионных аккумуляторов. // http://aver.ru/repair/kak-prodlit-zhizn-litiy-ionnyh-akkumulyatorov/].

Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является способ зарядки полностью разряженного литий-ионного аккумулятора («Система и способ индуктивной зарядки аккумулятора»), при котором аккумулятор подключают к зарядному устройству и включают последнее, подав тем самым на аккумулятор преобразованное в постоянный ток питание от внешнего источника электроэнергии [RU 2469452, H02J 7/02, 10.12.2012, абз. 5, 6, фиг.1, т.е. в части описания обычной, неиндуктивной зарядки].

В нем, точнее - в обзорной его части, включая график на фиг.1, разряженный (до предельно допустимого остаточного значения примерно 2,2 В) аккумулятор сначала заряжают при постоянном уровне тока в диапазоне от 0,1C до 1C A, где C - емкость аккумулятора в ампер-часах, до тех пор, пока на аккумуляторе не установится требуемое напряжение, равное примерно 4,2 В. В этот момент зарядное устройство для аккумулятора переключается в режим постоянного напряжения, обеспечивая достаточную мощность для поддержания аккумулятора при данном окончательном напряжении и при этом обеспечивая дополнительную зарядку аккумулятора. График зарядки на фиг.1 в прототипе отражает штатный двухступенчатый процесс зарядки.

Однако в нештатной ситуации - при начальном переразряженном состоянии аккумулятора, характеризуемом его остаточным напряжением ниже предельно допустимого уровня (упомянутых 2,2 В), и именно по этой причине, уже на первой минуте зарядки (мигание зеленого светодиодного индикатора на зарядном устройстве) происходит, как правило, преждевременное самопроизвольное прекращение процесса зарядки (переход зеленого индикатора из импульсного режима свечения в режим постоянного свечения) при сохранении напряжения питания зарядного устройства (постоянное свечение красного светодиодного индикатора).

Ожидать столь же самопроизвольного возобновления зарядного тока (возобновления импульсного свечения зеленого индикатора) бесперспективно, наивно и, в общем-то, небезопасно.

Чем в большей степени аккумулятор был изначально переразряжен, тем ниже вероятность «запуска» зарядного тока в штатном режиме функционирования зарядного устройства, что обычно побуждает пользователей, особенно на «кухонно-бытовом» уровне, смириться с очередным материально-финансовым убытком и выбросить аккумулятор в помойку как «усохший» (возможно, «обросший» дендритами лития).

При этом не используется технологический потенциал, находящийся пока за границей человеческих знаний и/или информационного доступа.

В частности, автор-заявитель настоящей заявки испытывал дискомфорт в связи с «отказами» зарядного устройства заряжать аккумуляторы типа EEMB LIR123A (3,7 V, 700 mAh) после скрытого их чрезмерного разряда в составе оружия самообороны «ПБ-4-1МЛ» по причине самопроизвольного включения питания лазерного целеуказателя). После примерно 30-секундного протекания через аккумулятор зарядный ток самопроизвольно исчезал.

Таким образом, известный способ-прототип еще недостаточно совершенен, что выражается в его ограниченных возможностях зарядки литий-ионных аккумуляторов в состоянии запредельного значения остаточного (априорного, начального при зарядке) напряжения. Это, в свою очередь, обусловливает техническое и экономическое несовершенство не только технологии зарядки (способа зарядки и зарядного устройства), но и недостаточно высокую надежность тех устройств и систем, функционирование которых зависит от аккумулятора как автономного источника их питания.

Эффективность же применения, как «восстановительной процедуры», импульсного, да еще к тому же высокочастотного (микросекундного) способа восстановления и зарядки с постоянной скважностью (с успехом применяемого для других типов аккумуляторов), не установлена. Хотя это - тоже довольно близкий аналог заявляемого способа.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение технико-эксплуатационных (технологических) и экономических характеристик способа зарядки литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов за счет обеспечения возможности восстановления переразряженных (разряженных ниже допустимого уровня) аккумуляторов, достижения полной их зарядки при отказе заряжаться в штатном режиме работы известных специализированных зарядных устройств.

Технический результат в соответствии с поставленной задачей достигается за счет того, что в способе зарядки полностью разряженного литий-ионного аккумулятора, при котором аккумулятор подключают к зарядному устройству и включают последнее, подав тем самым на аккумулятор преобразованное в постоянный ток питание от внешнего источника электроэнергии, при преждевременном самопроизвольном прекращении процесса зарядки, по показанию индикатора тока зарядки, в случае и по причине начального переразряженного состояния аккумулятора, характеризуемого его остаточным напряжением ниже предельно допустимого уровня, отключают и снова включают внешнее его питание, повторяя эти действия до выхода процесса зарядки на штатный режим, характеризующийся отсутствием указанного преждевременного самопроизвольного прерывания тока зарядки до момента штатного автоматического отключения внешнего питания при зарядке до заданного значения или принудительного окончания зарядки.

Среди известных способов зарядки не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат.

Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже двух примерах реализации и иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 показана простейшая схема реализации способа;

на фиг.2 - совмещенные графики зарядки в штатном режиме (как в способе-прототипе) - А, и при заявляемом способе - Б, где t - время; U - напряжение на аккумуляторе; U_кр. - «критическое» остаточное напряжение при разрядке; U₀ - фактическое остаточное напряжение в начале зарядки; U_max - максимальное (номинальное) напряжение; I - зарядный ток;

на фиг.3 - пример блок-схемы модернизированного зарядного устройства.

Для осуществления заявляемого способа в первом, простейшем варианте вообще не требуется никакого нового устройства, кроме штатного (пригодного для зарядки аккумулятора известным способом) зарядного устройства.

Автор-заявитель в своих эмпирических исследованиях (по сути, при реальном практическом использовании как пользователь), приведших к заявляемому изобретению, применял уже упомянутые выше аккумуляторы массовой серии LIR123A с серийным зарядным устройством The power supply specialist ROBITON Арт.Smart Charger Universa/ (выходное напряжение 7,4 В).

Аккумулятор 1 вставляют (см. фиг.1) в специально предусмотренное для него ложе (враспор между пружинными электрическими контактами «+» и «-») зарядного устройства 2 и включают последнее, вставив его вилку 3 в сетевую розетку 4 (220-230 В, 50/60 Гц). Убеждаются в наличии внешнего питания по загоранию красного светодиода 5. Убеждаются также в появлении и протекании в аккумуляторе зарядного тока I (см. фиг.2) по загоранию и свечению в мигающем режиме зеленого светодиода 6 (на аккумулятор 1 подается преобразованное в устройстве 2 в постоянный ток I питание от внешнего, сетевого источника электроэнергии). Продолжают постоянно или периодически наблюдать за поведением светодиода 6 как индикатора зарядного тока.

При преждевременном (в зависимости от степени переразрядки (насколько остаточное напряжение аккумулятора меньше паспортного «критического» значения U_кр., обычно в пределах первых 0,5 мин) самопроизвольном прекращении процесса зарядки, о чем будет свидетельствовать явно преждевременный переход светодиода 6 из мигающего режима в немигающий, в случае и по причине начального переразряженного состояния аккумулятора 1 (характеризуемого его остаточным напряжением ниже предельно допустимого уровня: U₀<U_кр) извлекают вилку 3 из розетки 4 (или отсоединяют местный разъем сетевого кабеля зарядного устройства 2) и тут же снова восстанавливают их соединение. Тем самым отключают и тут же снова включают внешнее питание (временно прерывают его). При этом, естественно, оба светодиода - 5 и 6 сперва тухнут, а затем снова загораются, причем зеленый 6 начинает снова работать в мигающем режиме, что свидетельствует о продолжении самопроизвольно прервавшегося процесса зарядки, по сути текущего отказа в процессе зарядки (нештатный режим).

Убедившись в наличии такого «шага» восстановления свойства аккумулятора заряжаться («пациент скорее жив, чем мертв»), продолжают наблюдение за поведением светодиода 6.

При втором (из авторских экспериментальных исследований, порядка еще 1 минуты зарядки), третьем и, возможно, последующих (пока в непредсказуемом количестве), самопроизвольных отключениях, производят действия, идентичные описанным, до выхода процесса зарядки на «стационарный» режим, когда зеленый светодиод будет мигать вплоть до полной зарядки аккумулятора (точнее - до заданного ее значения или до принудительного окончания зарядки по каким-либо организационным причинам). Завершается зарядка автоматически (срабатывает автоматика в зарядном устройстве 2 и/или аккумуляторе 1), что проявляется в штатном переходе свечения светодиода 6 в немигающий режим, теперь уже не имитируя полную заряженность изначально, а свидетельствуя о ней.

На графике зарядки (см. фиг.2) формируется, таким образом, прерывистая, с переменной (непредсказуемо возрастающей вплоть до единицы) скважностью, кривая (функция f) зарядки U=f (t). Указанная скважность зависит от степени переразряжения аккумулятора U₀/U_кр, моментов времени самопроизвольного обнуления зарядного тока I, моментов обнаружения обнуления и производства выключения-включения (ручной коммутации). Именно поэтому она и названа здесь «непредсказуемой, т.е. априорно неизвестной. Равно как непредсказуемо и число импульсов до выхода на штатный режим зарядки (а значит - восстановления работоспособности).

Для того, чтобы отличить указанную имитацию зарядки при переразряженном аккумуляторе от попытки заряжать таким способом полностью или почти полностью заряженный аккумулятор (по ошибочной априорной его оценке как переразрядившегося), следует, разумеется, делать более корректную оценку - либо измерив электрические параметры прибором, либо проверкой функционирования устройства от этого аккумулятора (автор-заявитель делал это по яркости свечения лазерного целеуказателя, точнее - отсутствия свечения вообще или быстротекущего его угасания до нуля).

Для зарядки аккумулятора 1 заявляемым способом во втором варианте его реализации (с автоматизацией) требуется весьма несложная доработка электрической схемы зарядного устройства 2. Пример такого усовершенствования (модернизации) приведен на фиг.3.

Зарядное устройство 2 дополнительно содержит автоматическое коммутирующее устройство 7 (показано вынесенным за исходный объем базового зарядного устройства условно), например на основе электрических реле или их электронных аналогов.

При появлении зарядного тока I в аккумуляторе 1, устройство 7 подготавливает цепь выключения-включения (прерывания) питания аккумулятора 1, а при самопроизвольном обнулении зарядного тока осуществляет указанное выключение-включение («коммутация», «отпирание-запирание»), при этом само устройство 7 возвращается в исходное состояние до следующего вероятного цикла.

Конкретное исполнение такого устройства (на уровне электрической/электронной схемы) доступно любому инженеру-электрику и здесь не приводится, тем более что автор-заявитель и не претендует в данной заявке на патентную защиту такого устройства.

Описанные примеры осуществления заявляемого способа не исключают других возможных его вариантов в рамках заявляемой совокупности существенных признаков (см. формулу изобретения).

Использование изобретения позволяет восстанавливать переразряженные (разряженные ниже допустимого уровня) литий-ионные аккумуляторы (а значит продлевать фактический срок их службы), достигать полной их зарядки, причем сразу, в процессе зарядки, непосредственно в зарядном устройстве. Это имеет выраженную экономическую эффективность и повышение надежности функционирования всего комплекса, в состав которого входит данный аккумулятор.

Использование: в области электротехники для зарядки литий-ионных (Li-Ion) электрических аккумуляторов. Технический результат - восстановление переразряженного (разряженного ниже допустимого уровня) аккумулятора. Согласно способу аккумулятор подключают к зарядному устройству и включают последнее, обеспечив тем самым подачу на аккумулятор питания от внешнего источника. В случаях преждевременного самопроизвольного прекращения процесса зарядки (при переразряженном состоянии и в связи с ним), отключают и снова включают зарядное устройство. Эти действия совершают каждый раз, когда зарядка самопроизвольно прекращается, до выхода процесса зарядки на штатный режим. Последний характеризуется наличием тока зарядки, до штатного автоматического отключения внешнего питания или принудительного окончания зарядки. 3 ил.

Способ зарядки полностью разряженного литий-ионного аккумулятора, при котором аккумулятор подключают к зарядному устройству и включают последнее, подав тем самым на аккумулятор преобразованное в постоянный ток питание от внешнего источника электроэнергии, отличающийся тем, что при преждевременном самопроизвольном прекращении процесса зарядки, по показанию индикатора тока зарядки, в случае и по причине начального переразряженного состояния аккумулятора, характеризуемого его остаточным напряжением ниже предельно допустимого уровня, отключают и снова включают внешнее его питание, повторяя эти действия до выхода процесса зарядки на штатный режим, характеризующийся отсутствием указанного преждевременного самопроизвольного прерывания тока зарядки до момента штатного автоматического отключения внешнего питания при зарядке до заданного значения или принудительного окончания зарядки.