УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2024 года по МПК H02J7/02 

Предполагаемое изобретение относится к области аккумуляторной техники и предназначено для повышения готовности беспилотных летательных аппаратов, наземных и водных транспортных средств, а также автономных силовых электроагрегатов и электростанций, оборудования командно-штабных машин

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство заряда свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник питания постоянного тока, реостат, амперметр, реле выключатель тока, соединенные последовательно и соединяемые к клеммам заряжаемому свинцово-кислотному аккумулятору, вольтметр, измеритель плотности раствора электролита, хронометр [Руководство по свинцовым аккумуляторным батареям. Утверждено заместителем начальника Главного бронетанкового управления и заместителем начальника Центрального автотракторного управления. - М.: Воениздат, 1983. - 183 с].

Известное устройство заряда свинцово-кислотного аккумулятора (далее - аккумулятора) является устройством заряда в режиме постоянного тока, обеспечивающим заряд до 100% емкости аккумулятора (зарядовой емкости). Для всех типов свинцовых аккумуляторных батарей принято оценивать величину зарядовой емкости в режиме 10-и часового разряда.

Прим.: Так как свинцово-кислотный аккумулятор практически всегда является элементом свинцово-кислотной аккумуляторной батареи из 6-ти или 12-ти аккумуляторов, то далее в тексте описания рассматриваются особенности заряда батарей. В прототипе различие между устройствами заряда одного аккумулятора и аккумуляторной батареи заключается в величинах электрических характеристик (напряжения) источника питания, вольтметров, реостатов. В предлагаемом устройстве содержатся функциональные узлы общие для всей батареи независимо от числа аккумуляторов и индивидуальные узлы для каждого аккумулятора в отдельности. Поэтому для упрощения в работе описано устройство заряда одного аккумулятора и даны пояснения формирования устройства заряда батарей из нескольких аккумуляторов.

Зарядовая емкость аккумуляторной батареи зависит от скорости отбора заряда. Чем меньшей величиной тока разряжается батарея (полностью), тем большее количество заряда выдает батарея. Например, батарея 6СТ-190 с зарядовой емкостью 190 Ампер-часов=190 3600 Кулон, определяемой в режиме 10 часового разряда током 19 Ампер, при отборе тока 800 А показывает емкость 20 Ампер-часов. Поэтому все свинцовые батареи характеризуются и сравниваются и заряжаются в режиме 10 часового заряда-разряда током I_зар=0.1 С₁₀, где С₁₀ - зарядовая емкость батареи в режиме 10-часового разряда.

Все технические возможности устройств заряда используются при заряде батарей в режиме постоянного тока, позволяющего заряжать батареи до 100%. Поэтому далее технические возможности предполагаемого изобретения рассматриваются на примере режима заряда постоянным током. Заряд в режиме постоянного тока осуществляется пропусканием постоянного тока через аккумуляторную батарею величиной I_зар=0.1 С₁₀. где С₁₀ -зарядовая емкость батареи в режиме 10-часового разряда. В течение заряда контролируются уровень, плотность и температура раствора электролита в каждом аккумуляторе батареи, напряжение аккумуляторов и интенсивность газовыделения из раствора электролита. Номинальная плотность раствора электролита в заряженной до 100% батарее равна ρ_ном=1.26 г/см³, у разряженной батареи до 50% минимальная плотность ρ_мин=1.15 г/см³. Уровень потери заряда батареей приближенно оценивается по величине плотности раствора электролита

При заряде от состояния максимально допустимой разряженности время заряда батареи составляет 10 часов. При заряде от неизвестного уровня заряженности время заряда определяется по критериям заряженности аккумуляторной батареи до 100% емкости. В любом случае в процессе заряда ток заряда поддерживается постоянным по величине, регистрируется нарастание плотности и температуры раствора электролита, напряжения на клеммах батареи, а также, наблюдая за газовыделением раствора электролита, определяется время начала интенсивного газовыделения - «кипения». После одного часа «кипения» процесс заряда заканчивается -батарея заряжена до 100% емкости. Признаки, показатели заряженности: 1) напряжение на одном аккумуляторе U₁=2.7 В, на 12-вольтовой батарее из 6-и аккумуляторов U_бат=16.2 В; 2) плотность раствора электролита во всех аккумуляторах ρ_ном=1.26 г/см, 3) обильное газовыделение в течение 1 часа; 4) температура раствора электролита не должна превышать 45°С.

Количество заряда, имеющегося в батарее, заряженной до 100% (или в любой батарее), определяется методом контрольно-тренировочного цикла (к.т.ц.), разряжением батареи током постоянной величины I_разр=0.1 С₁₀, и регистрацией длительности полного разряда. Фактическая зарядовая емкость батареи С_факт батареи, заряженной до 100% равно количеству полученного заряда от батареи при разряде и определяется по соотношению С_факт=(t_paзp / 10) С₁₀, где t_paзp - длительность разряда в часах.

Недостатком известного устройства в сочетании со способом заряда аккумуляторной батареи до 100% емкости является большая длительность заряда и большой объем ручной работы. Количество только предписанных по инструкции операций (отдельных действий) по поддержанию и контролю режима заряда при заряде одной батареи составляет более тысячи элементарных действий.

Техническое решение направлено на уменьшение времени заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и объема трудозатрат на заряд аккумуляторных батарей.

Техническое решение достигается тем, что в устройстве заряда свинцово-кислотного аккумулятора, содержащем источник питания постоянного тока, реостат, амперметр, реле выключатель тока, соединенные последовательно и соединяемые к клеммам заряжаемой свинцово-кислотного аккумулятора, вольтметр, измеритель плотности раствора электролита, термометр, хронометр, при этом

реостат и амперметр выполнены в виде стабилизатора тока с регулируемым и измеряемым уровнем тока,

вольтметр выполнен с сигнализатором уровня по верхнему и нижнему пределам,

измеритель плотности электролита выполнен в виде преобразователя величины плотности раствора электролита в электрический сигнал пропорциональной величины,

термометр сдержит реле выключения, срабатывающее при температуре выше 45°С,

хронометр выполнен с реле включения в пределах до 30 минут и реле отключения в пределах до 5 часов,

и дополнительно содержатся

гидронасос с входным и выходным гидропроводами, соединенный с хронометром, при этом входной гидропровод введен в придонное подэлектродное пространство раствора электролита, а выходной гидропровод введен в надэлектродное пространство раствора электролита,

а также светодиодно-оптоволоконный датчик отражательного состояния поверхности электролита,

преобразователи сигналов по напряжению, по плотности раствора электролита и по отражению светового потока поверхностью раствора электролита,

компаратор сигналов, соединенный с преобразователями, с хронометром и с реле-выключателем тока.

Структура и состав предполагаемого изобретения построены с учетом физико-химических процессов в растворе электролита и на поверхностях электродов.

Существующая практика техобслуживания и заряда батарей построена на представлении об уменьшении плотности раствора электролита со временем и a'priori об уменьшении плотности равномерно по всему объему раствора, сопровождаемой уменьшением заряженности аккумулятора, то есть потерей запаса заряда. Это основано на измерениях плотности отбором пробы только с самого верхнего слоя электролита над щитком. Ареометр в виде большой груши-пипетки и конструкция аккумулятора плотноупакованная электродами других вариантов и не допускают. Кроме этого утверждается (на основе предположений), что сера в сульфатах оседает на электродах по всему объему электродов.

Заводской практикой и нами экспериментально установлено, что с течением времени в отсутствие токоотбора плотность раствора электролита в верхних слоях уменьшается, а в нижних слоях (в придонном слое) повышается. При этом в разряженном аккумуляторе плотность раствора электролита в верхних слоях может быть повышена (восстановлена) до номинального значения в результате гидромеханического перемешивания без пропускания электрического тока через аккумулятор, в результате чего батарея оказывается заряженной (по электрическим характеристикам) почти до номинального уровня (до 95%). Поэтому получение одного из показателей заряженности батареи - величину плотности - можно ускорить гидромеханическим перемешиванием раствора электролита. Другие три критерия (напряжение, температура и «кипение») обеспечиваются традиционным образом - пропусканием тока в обратном направлении. Опытам установлено, что при пропускании тока заряда происходят окс-ред-реакции на поверхностях электродов: подокисленный при отборе тока отрицательный электрод раскисляется, а раскисленный положительный электрод окисляется. Возможно, с поверхностей электродов удаляются еще сульфаты, но проведенными нами прецизионными экспериментами по анализу состава одного внешнего мономолекулярного слоя поверхности электродов свинцовых аккумуляторов сульфатов на поверхностях не обнаружено.

Таким образом, в предполагаемом изобретении устройство восстановления зарядоотдачи аккумуляторной батареи (устройство для заряда) содержит электрическую подсистему для проведения окислительно-восстановительных реакций на поверхностях электродов и подсистему для гидромеханического перемешивания раствора электролита для восстановления равномерного распределения ионов по объему аккумулятора, а также электрическую схему согласования работы и режимов указанных подсистем.

Параллельное выполнение действий по повышению плотности электролита перемешиванием и восстановлению состава поверхности электродов пропусканием тока в равнении последовательности операций снижает время заряда в 2 и более раза.

На рисунке приведена функциональная схема свинцово-кислотного аккумулятора и устройства заряда по предполагаемому изобретению.

Заряжаемый свинцово-кислотный аккумулятор 18 (далее аккумулятор) содержит следующие узлы и детали, используемые в процессе заряжания. Аккумулятор 18 содержит корпус 12, с днищем 16 и ребрами 13, 17 на днище 16, крышку 1,4 с тубусом 7 и заливным отверстием, электродный блок 15, расположенный на ребрах 13, 17, электрические выводы 3, 10 электродов блока 15, щиток 8 над блоком 15, раствор электролита, пропитавший электродный блок 15, заполняющий придонное подэлектродное пространство 14 и надэлектродное пространство 9 на высоту 10-15 мм от щитка, воздушное пространство 11 над раствором электролита 9.

Устройство заряда содержит последовательно соединенные к клеммам 3, 10 аккумулятора 18 источник постоянного напряжения 19 регулируемой величины, стабилизатор тока 20 регулируемой величины, прерыватель тока 24, а также измеритель напряжения 21 с сигнализатором минимального и максимального значений напряжения, соединенный с источником напряжения 19, датчик проводимости 26 раствора электролита 9, датчик светофотодиодный 27 с оптоволоконным проводником 25, преобразователь 22 сигналов датчиков 26, 27, устройство управления 23, соединенное с прерывателем тока 24 с преобразователем 22, с вольтметром 21, содержащее дискриминаторы сигналов вольтметра 21 преобразователя 22 сигналов датчиков 26, 27 и хронометр времени «кипения» раствора электролита.

В датчике 26 при изменении плотности электролита увеличивается протекающий ток, величина которого градуируется в блок 22 значениями плотности раствора электролита.

Датчик 27 содержит световод, излучающий свет на поверхность раствора электролита, и световод, в который поступает отраженный свет. Излучающий светодиод и регистрирующий фотодиод расположены в блоке 22. При наличии отраженного света на выходе фотодиода формируется электрический сигнал. С началом обильного газовыделения интенсивность отраженного света резко падает, и сигнал фотодиода снижается до уровня фона. С исчезновением сигнала в устройстве управления запускается реле времени хронометра, который по истечении 1 часа вырабатывает команду отключения тока заряда прерывателем 24.

Устройство заряда аккумулятора содержит дополнительно к традиционным компонентам гидронасос 5 с входным и выходным гидропроводами 2, 6 соответственно, соединенный к источнику напряжения 19 и к устройству управления 23. Входной гидропровод 2 гидронасоса 5 встроен началом в придонный объем 14 раствора электролита; выходной гидропровод 6 введен в надэлектродный объем 9 раствора электролита.

Отметим, что датчик 26 плотности раствора электролита 9 может быть размещен в растворе электролита либо через отверстие тубуса 7, либо встроен в аккумулятор при изготовлении с электрическими выводами датчика, проводимыми через специальный разъем, вмонтированный на крышке 4.

Для контроля плотности раствора электролита в придонном пространстве 14 необходимо дополнительно установить второй датчик в подэлектродное пространство 14 (на рисунке не показан). Размещение гидропровода 2 и второго датчика проводимости в придонном подэлектродном пространстве 14 возможно с помощью гибкого тонкого направляющего стержня вдоль торцевой боковой поверхности аккумулятора.

Устройство работает следующим образом.

Соединяют источник питания 21, стабилизатор тока 20, реле прерыватель тока 24, вольтметр 19, преобразователь 22, устройство управления 23 и гидронасос 5 согласно схеме, приведенной на рисунке.

Соединяют схему к выводам 3, 10 электродного блока 15 аккумулятора (батареи) 18, расположенные на крышке 3, 4. Вводят датчик 26 в раствор электролита пространства 9 над щитком над щитком 8, а датчик 27 через тубус 7 заливного отверстия в воздушное простраство 11. Вводят в пространство 14 между дном 16 корпуса 12 и электродным блоком 15, расположенном на опорных призмах 13 и 17, входной гидропровод 2 гидронасоса 5. Вводят выходной гидропровод 6 гидронасоса 5 в объем 9 над щитком 8 электродного блока 15.

Включают источник напряжения 19, устанавливают величину тока заряда I_зар=0.1 С₁₀ на стабилизаторе тока 20.

Включают в работу гидронасос 5, который перекачивает раствор электролита по гидропроводам 2, 6 из придонного пространства 14 в надэлектродное пространство 9.

На вольтметре 21 устанавливают сигнальные уровни минимального и максимального напряжений по условию U_1зap=2+(0.3÷0.4÷0,7)В.

На преобразователе 22 устанавливают допустимые пределы изменения плотности в пределах ρ_мин÷ρ_макс=(1.15÷1.28) г/см³.

На преобразователе 22 включают устройство генерации электрического сигнала, срабатывающее на отключение тока заряда в блоке 24 при отсутствии отраженного светового сигнала в световоде 25 датчика 27. Устройство управления 23 вырабатывает команду отключения при достижении в едином сочетании показателей: напряжения U_зар=2.7 В, плотности раствора электролита ρ_макс=1.28 г/см³ и при отсутствии отражательного сигнала через 1 час. При отсутствии указанного сочетания показателей заряженности к установленному предельному времени заряда (например, 3 часа) ток заряда прерывателем 24 отключается с выводом на устройстве управления 23 сигнала о неисправности аккумулятора.

Нормальным режимом является очередность достижения номинальной плотности, затем максимального напряжения, и затем пропадание отражения света, то есть начало кипения, через час которого аккумулятор считается заряженным.

При нарушениях граничных значений контрольных параметров, устройством 23 вырабатывается сигнал отключения тока заряда, тока гидронасоса и вырабатывает сигнал «проверки».

Результатом использования устройства является перекачивание раствора электролита и пропускание заряда между электродами. Перекачивание раствора из придонного пространства в верхнее пространство в ламинарном режиме для одного аккумулятора объемом в 1 литр можно за 15-20 мин. В течение часа можно раствор перекачать три-четыре раза, что уравномерит плотность раствора электролита по всему объему, включая электроды.

Если на каждый атом поверхности электродов пропустить 1 элементарный заряд, то понадобится количество заряда в 100 раз меньше зарядовой емкости при вероятности окс-ред - реакции в одной молекуле за пять зарядов (электронов, ионов), то для восстановления электродов достаточно пропускания заряда между электродами десятой доли зарядовой емкости, то есть пропускания номинального тока заряда в течение 1 часа, что подтверждается экспериментом. В итоге по оценочным расчетам время заряда аккумулятора может быть сокращено до 1-2-х часов, то есть в 5-10 раз.

Таким образом, гидромеханическим перемешиванием повышается плотность раствора электролита в верхних слоях за счет уменьшения плотности в нижних слоях, а пропусканием электрического тока в обратном направлении проводятся окислительно-восстановительные реакции РbО - Рb на поверхности отрицательного электрода и Рb - РbО на поверхности положительного электрода по восстановлению исходного состава поверхности. Надо отметить, что при хранении аккумулятора без отбора тока саморазряд обусловлен только оседанием тяжелых фракций раствора электролита. Поэтому работоспособность аккумуляторной батареи можно восстановить перемешиванием раствора электролита без пропускания тока между электродами. В таком случае работу гидронасоса можно обеспечить энергией заряжаемой аккумуляторной батареи.

Как следует из описания работы устройства все ручные работы по поддержанию и контролю режима заряда перекладываются на электронную регулировку и измерения.

Сопоставительный анализ сравнения предполагаемого изобретения с прототипом показал, что применение гидромеханического перемешивания в сочетании с заряжением аккумулятора пропусканием электрического тока в обратном направлении позволяет сократить время заряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи более чем в 2 раза, а также кратно сокращает трудозатраты.

Изобретение относится к области аккумуляторной техники и предназначено для повышения готовности беспилотных летательных аппаратов, наземных и водных транспортных средств. Технический результат - уменьшение времени заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и объема трудозатрат на заряд аккумуляторных батарей. Устройство заряда свинцово-кислотного аккумулятора содержит источник питания постоянного тока, реостат, амперметр, реле выключатель тока, соединенные последовательно и соединяемые к клеммам заряжаемой свинцово-кислотного аккумулятора, вольтметр, измеритель плотности раствора электролита, термометр, хронометр. Устройство дополнительно содержит гидронасос с входным и выходным гидропроводами, соединенный с хронометром, при этом входной гидропровод введен в придонное подэлектродное пространство раствора электролита, а выходной гидропровод введен в надэлектродное пространство раствора электролита. Датчики плотности раствора электролита, температуры, напряжения и определения интенсивного газовыделения соединены с компаратором уровней выходных величин, соединенным с реле- выключателем тока заряда. 1 ил.

Устройство заряда свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник питания постоянного тока, реостат, амперметр, реле выключатель тока, соединенные последовательно и соединяемые к клеммам заряжаемой свинцово-кислотного аккумулятора, вольтметр, измеритель плотности раствора электролита, термометр, хронометр, отличающееся тем, что реостат и амперметр выполнены в виде стабилизатора тока с регулируемым и измеряемым уровнем тока, вольтметр выполнен с сигнализатором уровня по верхнему и нижнему пределам, измеритель плотности электролита выполнен в виде преобразователя величины плотности раствора электролита в электрический сигнал пропорциональной величины, термометр сдержит реле выключения, срабатывающее при температуре выше 45°С, хронометр выполнен с реле включения в пределах до 30 минут и реле отключения в пределах до 5 часов и дополнительно содержит гидронасос с входным и выходным гидропроводами, соединенный с хронометром, при этом входной гидропровод введен в придонное подэлектродное пространство раствора электролита, а выходной гидропровод введен в надэлектродное пространство раствора электролита, а также светодиодно-оптоволоконный датчик отражательного состояния поверхности электролита, преобразователи сигналов по напряжению, по плотности раствора электролита и по отражению светового потока поверхностью раствора электролита, компаратор сигналов, соединенный с преобразователями, с хронометром и с реле-выключателем тока.