СПОСОБ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2020 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для зарядки любых аккумуляторных батарей (аккумуляторов). Данный способ воздействия двумя непрерывными, противофазными, синхронизированными импульсными последовательностями, со стабилизированными параметрами, любой формы, частоты, длительности, амплитуды, (гармоническими колебаниями), необходимыми для обеспечения результата воздействия, возможно применять в любой отрасли народного хозяйства, например, в электротехнике при зарядке аккумулятора (конденсатора, конденсаторных батарей), при разделении жидких фракций, в медицине (при физиотерапевтическом воздействии), в области радио и телевизионной связи и т.п.

Из уровня техники известен способ ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током со стабилизированными амплитудами импульсов анодного и катодного токов в автоматическом режиме без предварительного доразряда (RU 2284077, 20.09.2006). Данный способ раскрывает режим ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с сохранением их технико-экономических характеристик без доразряда со стабилизированными амплитудами анодного и катодного токов, подачей на аккумулятор одного зарядного импульса с амплитудой анодного тока 2,0±0,3 от номинальной емкости и длительностью (210±10) мс. и двух следующих за ним через паузу (2÷3) мс. разрядных импульсов.

Недостатком указанного способа является то, что заряд аккумуляторной батареи происходит только во время поступления импульса на клеммы аккумулятора, а что происходит с заряженными частицами, находящимися в электролите, в отсутствии импульса неизвестно, так как в это время (время отсутствия импульса) заряженные частицы не участвуют в процессе зарядки, то есть они в этот момент времени не управляются, и не способствуют процессу зарядки аккумулятора. Таким образом заряженные частицы, выходящие из массы катода, не все доходят до анода, что уменьшает эффективность данного способа заряда аккумуляторной батареи и увеличивает время зарядки аккумуляторной батареи.

Известен способ дозированного заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления (RU 2072605, 27.01.1997), целью которого является улучшение срока службы заряжаемого аккумулятора. Поставленная цель заключается в том, что определяют напряжение аккумуляторной батареи и формируют импульсы зарядного тока до момента превышения напряжением батареи заданного уровня, осуществляют заряд емкостного накопителя и аккумуляторной батареи от регулируемого источника постоянного тока, определяют разность напряжений емкостного накопителя и аккумуляторной батареи и при превышении этой разностью заданного значения, формируют импульсы зарядного тока, путем разряда емкостного накопителя на аккумуляторную батарею.

Недостатком указанного способа является форма импульса тока, которая характеризуется крутым передним фронтом и задним фронтом в виде экспоненты. Импульсы следуют один за другим со скважностью, близкой к нулю, но время активного, эффективного воздействия на аккумуляторную батарею, в лучшем случае, меньше 30 процентов длительности импульса. То есть большая часть времени прохождения импульса тока не выполняет свою функцию - зарядки аккумулятора и фактически, большая часть времени взаимодействия импульса с аккумулятором, не участвует в управлении заряженными частицами, из-за понижающегося напряжения импульса, что значительно уменьшает эффективность применения данного способа зарядки.

Известно непрерывное воздействие последовательностей с заряженными частицами с момента начала зарядки и до ее окончания (SU 716109, 15.02.1980) для снижения установочной мощности оборудования путем снижения расчетной мощности посредством того, что устройство для заряда и разряда аккумуляторной батареи снабжено двумя дополнительными выходными зажимами и полуобмотками трансформатора, выполненными электрически раздельными. Таким образом в конструкцию устройства внесены внешние дополнительные элементы (два зажима, две полуобмотки, два тиристора), при этом при поочередной подачи управляющих импульсов на тиристоры со сдвигом по фазе на 180 градусов, устройство работает в выпрямительном режиме, обеспечивая в один полупериод заряд аккумуляторной батареи по цепи, а в другой полупериод питающего напряжения - заряд второго аккумулятора по цепи, то есть за один полупериод заряжается первый аккумулятор, а второй не заряжается, причем неизвестно, что происходит в это время внутри устройства с заряженными частицами без сигнала управления. Так же неизвестно, что происходит внутри первого аккумулятора, после окончания импульса. Таким образом на первый аккумулятор поступает одна фаза (одна последовательность), а на второй аккумулятор поступает другая последовательность (фаза), сдвинутая на 180 градусов, что не дает возможности точно регулировать поток заряженных частиц, из-за наличия промежутков времени в импульсной последовательности между импульсами.

Известен способ заряда аккумуляторной батареи (SU 1129675, 15.12.1984), целью которого является ускорение приведения аккумуляторной батареи в рабочее состояние и повышение надежности ее функционирования за счет совершенствования электрической схемы зарядного устройства для конкретного аккумулятора. Однако, нет уверенности, что это устройство на другом типе аккумулятора, то есть аккумулятор с другими геометрическими размерами анода и катода, другим объемом электролита и т.п., возможно использовать с указанными параметрами, при этом обеспечивается несколько режимов заряда, разбитых на несколько этапов, а импульсная последовательность имеет в своем составе временной разрыв между импульсами. Это означает, что функциональная основа аккумулятора - положительно заряженные частицы, становятся свободными, находятся в хаотическом состоянии, то есть не управляемыми и как они в это время влияют на заряд/разряд аккумулятора неизвестно, так как в это время отсутствует управляющий импульс (сигнал).

Техническая проблема, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в расширении арсенала средств зарядки аккумулятора и аккумуляторных батарей за счет создания и применения нового способа зарядки/разрядки аккумулятора и аккумуляторных батарей, который устранял бы указанные недостатки и обеспечивал возможность использовать зарядку при любом типе и емкости аккумуляторах и аккумуляторных батарей, так как используется двуполярный источник питания с положительным и отрицательным постоянными +U и -U напряжениями и с соответствующими постоянными составляющими, относительно которых формируются импульсные последовательности, которые остаются непрерывными от начала до конца зарядки аккумулятора, а параметры импульсов в импульсных последовательностях, можно регулировать.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в уменьшении времени зарядки аккумулятора/аккумуляторных батарей и увеличении их емкости за счет более полного использования времени взаимодействия импульсных последовательностей с

аккумулятором/аккумуляторными батареями и практического отсутствия неуправляемых заряженных частиц, находящихся между катодом и анодом, не участвующих в процессе зарядки аккумулятора/аккумуляторных батарей, находящихся в среде электролита и более равномерного распределения заряженных частиц по поверхности анода.

Указанный технический результат достигается в предлагаемом способе зарядки/разрядки аккумулятора/аккумуляторных батарей за счет использования двух импульсных непрерывных последовательностей любой формы, частоты, длительности импульсов и амплитуды, обеспечивающих функционирование аккумулятора и, находящиеся в противофазе по отношению к друг другу и в то же время, синхронизированных между собой. Кроме того, каждая непрерывная импульсная последовательность подключается к соответствующему электроду аккумулятора/аккумуляторных батарей, что обеспечивает возможность дозированного заряда аккумулятора.

В настоящее время классический заряд аккумулятора осуществляется следующим образом: на электроды аккумулятора подключается постоянное напряжение +U и -U, при этом неограниченное число заряженных частиц движется одновременно, под действием этого неуправляемого напряжения, от катода к аноду (неуправляемое напряжение - это условно, так как возможно создать программу зарядки, но эта программа будет увеличивать или уменьшать подаваемое напряжение), что эквивалентно изменению скорости движения заряженных частиц, но не изменяет хаотичность и направленность их движения. Один из способов дозирования раскрыт RU 2284077, а другой описан в RU 2072605. В заявленном же изобретении изменяя параметры импульсов используемых последовательностей в зависимости от геометрических размеров анода и катода, и физических параметров аккумулятора, объема используемого электролита и т.п.имеется возможность выпускать из катода определенное (ограниченное) количество заряженных частиц путем изменения длительности, частоты и амплитуды импульсов.

То есть предложенный способ позволяет регулировать активное время t1 работы катода и анода (за время t1 заряженные частицы двигаются от катода к аноду) и в следующий момент времени t2 заряженные частицы двигаются в обратную сторону, то есть от анода к катоду, и на анод в момент времени t2 заряженные частицы не попадают. Таким образом получаем более точное значение потенциала зарядки аккумулятора т.е. дозировки потенциала (дозированный заряд, то есть заданный потенциал), за счет того, что отсутствуют неуправляемые заряженные частицы в электролите, так как только - в t1 заряженные частицы двигаются от катода к аноду.

Таким образом появляется возможность управлять количеством заряженных частиц, попадающих на анод, которое возможно подсчитать с определенной степенью вероятности, а зарядка производится за один этап, но параметры импульсов будут подбираться для конкретного типа аккумулятора, в зависимости от геометрических размеров аккумулятора, физических характеристик (объем электролита, и др.), при этом на аккумулятор подается две импульсные последовательности не имеющие временного разрыва.

В каждый момент времени t1 или t2 в электролите практически отсутствуют заряженные частицы, мешающие своим взаимодействием друг другу, то есть в момент времени t1 заряженные частицы выталкиваются электрическим полем катода и одновременно притягиваются электрическим полем анода. В момент времени t2 заряженные частицы отталкиваются электрическим полем от анода и одновременно притягиваются электрическим полем катода.

То есть данный способ позволяет регулировать количество заряженных частиц, попадающих на анод и количество заряженных частиц, «вышедших» из катода, что повышает эффективность работы аккумулятора и сокращает время зарядки аккумулятора. Кроме того, увеличивает равномерность распределения заряженных частиц по поверхности анода, так как на анод попадает соответствующее (ограниченное) количество заряженных частиц, которые не создают тормозящее поле для последующих заряженных частиц, при этом, увеличивается емкость аккумулятора и уменьшается время зарядки аккумулятора.

Таким образом сопоставительный анализ заявляемого способа зарядки аккумулятора с известными прототипами показывает, что заявляемый способ зарядки аккумулятора соответствует условиям патентоспособности.

Кроме того, заявленный способ можно использовать для циклического режима работы аккумулятора за счет применения переключателя (тумблера).

Конструкция зарядного-разрядного устройства может быть любой, в зависимости применяемой электронной элементной базы, и изготавливаться под требования заказчика/потребителя под любую емкость аккумулятора. В связи с этим приведенный ниже пример конкретной реализации зарядного устройства не ограничивает использования другой электронной элементной базы.

В корпусе зарядного устройства могут находиться электронные и механические устройства, такие как тумблеры или переключатели, электронные генераторы гармонических колебаний или источники постоянного напряжения. Перечисленные устройства расширяют диапазон применения заявляемого способа зарядки аккумулятора или аккумуляторных батарей, то есть зарядное устройство может выпускаться не только разного типа и емкости аккумулятора, но и различной конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображен пример схемы зарядного устройства для осуществления заявленного способа зарядки аккумулятора.

Определения:

Зарядное устройство - электронное устройство для заряда электрических аккумуляторов энергией внешнего источника.

Зарядное устройство (ЗУ) имеет возможность заряжать аккумулятор классическим способом, подавая на анод и катод положительный и отрицательный потенциалы.

Дополнительно ЗУ имеет не зависимый источник постоянного напряжения «0-5 в.» и не зависимый генератор гармонических колебаний.

Дополнительно ЗУ имеет блок обратной связи «ОС» включающий в себя все необходимые датчики функционирования и контроля параметров как аккумулятора, так и ЗУ, блок автоматического/ручного управления заряда аккумулятора.

Зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) служит для заряда и разряда аккумулятора.

Задающий генератор - генератор с самовозбуждением высокочастотных колебаний в радиопередатчиках средней и большой мощности. Отличается высокой стабильностью частоты.

Двухполярный источник постоянного напряжения - источник питания с положительным и отрицательным напряжением относительно средней (нулевой) точки.

Стабилизатор напряжения - электромеханическое или электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.

Ждущий мультивибратор (одновибратор) - простой генератор, вырабатывающий одиночный прямоугольный импульс по команде - более короткому импульсу запуска. Ждущий мультивибратор не работает в режиме непрерывной генерации (режиме автогенератора). Так как он вырабатывает на каждый приходящий импульс всего один импульс с установленной длительностью.

Драйвер - высокоскоростное не инвертирующее устройство (электронный компонент) для снижения энергопотребления и обеспечения необходимого напряжения и тока и представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для непосредственного управления силовыми ключами преобразователей параметров электроэнергии.

Усилитель мощности - электронное устройство, разработанное для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, который поступает от источника, в более мощный сигнал, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала.

Резистор - пассивный элемент электрических цепей, обладающий определенным или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др.

Оптрон (оптопара) - электронный прибор, состоящий из излучателя света и фотоприемника, связанных оптическим каналом и объединенных в общем корпусе.

Примеры осуществления заявленного изобретения.

Пример 1. Зарядное устройство при +/- от 3V до 8V при токе нагрузки 5А

Двухполярный источник постоянного напряжения (блок питания 1 двухполюсный), обеспечивающий работу зарядного устройства может быть любым, который выдает +/- от 3V до 8V при токе нагрузки 5А, причем напряжение «-«U застабилизировано и подается через стабилизатор напряжения 9 на задающий генератор 10, ждущий мультивибратор 12, связанный с блоком регулировка т длительности импульса 13, и на электронику 1 го канала.

Задающий генератор 10 (выполненный на микросхеме серии Е555 или ей подобной) связан с блоком регулировки частоты 11 и выдает частоту в диапазоне 10-150 гц (выдает серию непрерывных импульсов). Далее ждущий мультивибратор 12 (выполненный на микросхеме серии Е555 или ей подобной) формирует положительные импульсы длительностью в диапазоне 10 мкс -10 мс, которые подаются одновременно на два (условно) канала (первый 8 и второй 7 каналы).

В первый канал 8 импульсы поступают через драйвер 3 (выполненный на микросхеме ТС4420 или ей подобной), на усилитель мощности, 4 (выполненный на двух комплементарных транзисторах КТ816, КТ817 или им подобных), через обратную связь 6 на добавочный резистор, 5 (с которого снимается сигнал обратной связи), далее на катод аккумулятора 14.

Одновременно во второй канал 7 импульсы с ждущего мультивибратора 12 поступают через оптрон 2 (оптронная развязка выполнена на микросхеме РС817 или ей подобной) и уже инвертированные на драйвер 3 (ТС4420) и усилитель мощности 4 через обратную связь 6 на добавочный резистор 5 и далее на анод аккумулятора 14.

В зарядном устройстве используется двухполярный источник питания 1 (-U₁). Первый источник постоянного напряжения (3-8V) подключен к стабилизатору напряжения, к задающему генератору 10, ждущему мультивибратору 12 и электронике первого канала 8. Второй источник 1 (+U₂) постоянного напряжения (3+8v) подключен к электронике второго канала 7. и к оптрону

Подбирая параметры: частоты, длительности зарядно-разрядных импульсов, величины напряжения, тока и времени, можно обеспечить оптимальный режим зарядки конкретного аккумулятора, а переключатель П-1 обеспечивает вид работы зарядного устройства «заряд» «разряд».

Пример 2. Зарядное устройство током не более 500 мА

Используется конструктивное воплощение как в примере 1 с такой же электрической схемой.

Пример 3. Зарядное устройство током не более 5 А

Используется конструктивное воплощение как в примере 1, но в усилителе мощности применяются более мощные транзисторы типа КТ818 и КТ 819.

Пример 4. Зарядное устройство током не более 10 А

Используется конструктивное воплощение как в примере 1, но в усилителе мощности применяются более мощные транзисторы типа КТ819 AM и КТ818 AM, которые крепятся на радиаторе.

Пример 5. Универсальное зарядное устройство

Используется конструктивное воплощение по любому из примеров 1-4 с дополнительным генератором гармонических колебаний и/или дополнительным источником постоянного напряжения.

Изобретение относится к области электротехнике и может быть использовано для зарядки любых аккумуляторных батарей (аккумуляторов). Технический результат: уменьшение времени зарядки аккумулятора/аккумуляторных батарей и увеличение их емкости. Способ зарядки аккумулятора заключается в осуществлении подачи двух непрерывных, синхронизированных, противофазных, симметричных импульсных последовательностей на аккумулятор, не прерывающих взаимодействие с заряженными частицами во время зарядки аккумулятора, при этом одну последовательность подают на анод аккумулятора, а вторую – на катод аккумулятора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ зарядки аккумулятора, характеризующийся тем, что осуществляют подачу заряда на аккумулятор, применяя две синхронизированные, противофазные, симметричные импульсные последовательности, не прерывающих взаимодействие с заряженными частицами во время зарядки аккумулятора, при этом одну последовательность подают на анод аккумулятора, а вторую – на катод аккумулятора.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что режим зарядки аккумулятора производят за один этап с возможностью подбора параметров импульсной последовательности для конкретного типа и емкости аккумулятора.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что импульсные последовательности не имеют временного разрыва при зарядке аккумулятора, а параметры импульсных последовательностей регулируются.