Способ заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК H01M10/44 H02J7/10 

1 омтличающееся тем, что, с целью повьппения точности, положительный вьшод стабилитрона источника опорного напряжения подключен к отрицательному выводу источника питания, между базой третьего транзистора и источником опорного напряжения дополнительно введены стабилитрон и шунтирующая стабилитрон цепочка иэ прследоватс льно соединенных диода и резистора, при этом сред няя точка шунтирующей цепочки связа на через конденсатор с коллектором второго транзистора, а дополнительно 75 введенный стабилитрон и диод шунтирующей его цепочки положительными ; выводами подключены к общей точке стабилитрона и одного и.з резисторов источника опорного напряжения. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что цепочка, шунтирующая выводы для подключения батареи, вьтолнена из согласно подключенного к положительному выводу диода и двух последовательно включенных резисторов, общая точка которых связана с эмиттером третьего транзистора.

1. Способ заряда аккумуляторной батареи, включающий заряд последовательностью импульсов, частоту и длительность которых уменьшают в соответствии со скоростью уменьшения напряжения на аккумуляторной батарее между заряжающими импульсами, и при полном заряде на батарею подают редкие импульсы, при которых среднее значение тока не превышает тока подзаряда, отличающийся тем, что, с целью ускорения приведения аккумуляторной батареи в рабочее состояние и повышения надежности ее функционирования, на батарею подают зарядные импульсы, амплитуду тока которых ограничивают пределами 70-90% номинальной разрядной емкости до тех пор, пока напряжение на батарее в период прохождения зарядного импульса не будет достигать заданного уровня, затем заряд производят импульсами с ограничением амплитуды напряжения на достигнутом уровне, при этом в промежутках между зарядными импульсами подают разрядные импульсы таким образом, что между концом зарядного импульса и началом разрядного импульса промежутка нет, а между концом разрядного и началом зарядного имеется промежуток, длительность которого зависит от скорости уменьшения напряжения на .батарее и от скорости уменьшения сравниваемо го с ним опорного напряжения в указанном промежутке. 2. Устройство для осуществления способа по п. I, содержащее источник питания, источник опорного напряжения , состоящий из последовательно соединенных двух резисторов и стабилитрона и подключенный к зажимам источника питания, конденсатор, шунтирующую вьшоды для подключения Од о батареи цепочку, первый транзистор, подключенный змиттером к одному из зажимов источника питания, a коллекО1 тором - к положительному выводу для подключения аккз уляторной батареи и через согласно включенный диод к общей точке двух резисторов источника опорного напряжения, второй транзистор, связанный с базой первого транзистора и через резистор в коллекторной цепи - с вторым зажимом источника питания, третий транзистор, связанный коллектором с базой второго транзистора, a эмиттером - с шунтирзпощей вьгаоды для подключения батареи цепочкой.

. Изобретение относится к электро: технике, в частности к способам и устройствам для заряда герметичных аккумуляторов и батарей из этих аккумуляторов, используемых в качестве источников питания аварийных светильников и гидроакустической аппаратуры подводных лодок и надводных кораблей, а также для питания аппаратуры войсковой тактической связи, некоторой аппаратуры космических объектов и в Других отраслях народного хйзяйства.

Известен способ заряда аккумуляторной батареи, при котором быстрая зарядка аккумуляторной батареи осуществляется сильноточными импульсами напряжения постоянного тока, в интервале между которыми аккумуляторная батарея разряжается в течение коротких периодов времени, при этом вначале сильноточные импульсы очень быстро увеличивают напряжение аккумуляторной батареи, а затем увеличение напряжения происходит более медленно до тех пор, пока аккумуляторная батарея не зарядится полностью. После полного заряда осуществляется непрерьшный подзаряд } j .

Недостатком указанного способа является отсутствие контроля напряжения аккумуляторной батареи в:промежутках между зарядными импульсами и большая величина тока в конце заряда, что может приводить к систематическому перезаряду

аккумуляторов и сокращению их срока службы.

Известен также способ заряда аккумуляторной батареи,включающий фазу зарядки большим током и последующую фазу зарядки импульсами тока В Течение фазы зарядки большим током зарядка осуществляется током неизменной величины до заданного напряжения, а затем зарядка осуществляется неизменными импульсами тока которые имеют интервал продолжения зарядки t, , следующий после достижения на аккумуляторной батарее напряжения (j при поступлении каждго из импульсов. В паузах, имеющих длительность tg измеряется остаточное напряжение на аккумуляторной батарее в течение интервала измерения il , которое сравнивается с опорной величиной. Фаза зарядки импульсами тока заканчивается, когда остаточное напряжение перестает уменьшаться ниже опорной величины 2j .

Однако неизменная величина опорного напряжения и длительность пауз между импульсами зарядного тока могут привести к повьштенному вьщелению газа в конце заряда и, вследствие этого, к сокращению срока службы аккумуляторов, особенно герметичных.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, при котором аккумуляторная батарея заряжается последовательноетью импульсов, частота и длительность которых уменьшается в соответствии со скоростью уменьшения напряжения на аккумуляторной батарее между заряжающими импульсами. Когда аккумуляторная батарея заряжа ется, ее напряжение уменьшается мед леннее и достигает такой точки,при которой для поддержания полной зарядки аккумуляторной батареи пода ются редкие случайные имвульсы з . В данном способе заряда нет контрол величины напряжения в момент, когда через аккумуляторную батарею протекает импульс тока, что может послужить причиной выделения водорода в конце заряда. Кроме того, описанный способ не позволяет производить быстрый заряд батарей из герметичных аккуму ляторов, так как в паузах между импульсами необходимо устанавливать такой уровень контролируемого напря жения, при котором длительный заряд будет безопасным для аккумуляторов. Известна управляющая схема, обес печивающая прекращение быстрого заряда аккумуляторной батареи при ее заряде в течение очень короткого времени путем попеременного пропускания через батарею импульсов тока заряда во время периода заряда и подключения к батарее цепи разряда в течение периода разряда. Цепь разряда подключается к батарее в соответствии с сигналом, зависящим от напряжения на зажимах батареи. Система быстрого заряда аккумулятор ной батареи снабжена устройством для предупреждения подключения цепи разряда при пропускании через батарею импульсов тока заряда. Окон чание быстрого заряда аккумуляторной батареи с переходом в режим непрерывного подзаряда обеспечивает схемой,.реагирующей на определенное значение напряжения на зажимных батареи. Система содержит также устройство, позволяющее схеме для прекращения быстрого заряда реагиро вать на величину напряжения аккумуляторной батареи только в отсутстви тока заряда 4j . Система имеет сложное схемное решение и не рассчитана для заряда герметичных аккумуляторов, так как в ней нет ограничения величины тока заряда, что на конечной стадии быстрого заряда может привести к 754 повышенному выделению газа, а следовательно, выходу аккумуляторов из строя. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к одному из зажимов неста- билизированного источника питания постоянного тока, а коллектором через резистор - к положительному выводу батареи, второй транзистор, который связан с базой регулирующего транзистора и с вторым зажимом источника питания через резистор в коллекторной цепи и через параллельную этому резистору цепочку из диодЙ зашунтированного конденсатором и I резистора; цепь из последовательно .соединенных первого и второго резисторов, стабилитрона и диода, подключенную к выводам источника питания и предназначенную для формирования опорного напряжения, шунтирующую батарею цепь, вьшолнен- ную из согласно подключенного к положительному выводу батареи диода и резистора, третий транзистор, коллектор которого связан с базой второго транзистора, эмиттер - со средней точкой шунтирующей батарею цепочки, а база - с общей точкой стабилитрона и второго резистора цепи формирования опорного напряжения, четыре диода, два из которых соединены последовательно и подключены согласно между коллектором регулирующего транзистора и змиттером третьего транзистора, третий диод подключен положительным выводом к общей точке первого и второго резисторов цепи формирования опорного напряжения, а отрицат тельным - к коллектору регулирующего транзистора, четвертый диод положительным вьтодом связан с общей точкой стабилитрона и диода цепи формирования опорного напряжения , а отрицательным f с общей точкой диода конденсатора и резистора коллекторной цепи второго транзистора 5J . Устройство обеспечивает несколько режимов заряда. На первой стадии заряд производится постоянным током до сообщения аккумуляторной батарее 60-70% зарядной емкости. Ограничение тока в этом режиме осуществляется с помощью резистора, включенного в заряд.ную цепь, и двух последовательных диодов, связывающих коллектор регулирующего транзистора и эмиттер третьего транзистора,когда напряжение на аккумуляторной батарее достиг нет заданного уровня,начинается вторая стадия заряда при постоянном напряжении на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током. За- . данный уровень напряжение подцерживается с помощью цепи формирования опорного напряжения и коллекторной цепи второго транзистора. Вторая стадия заряда заканчивается когда ток заряда уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения. С этого момента начинается третья стадия дозаряда аккумуляторной батареи до тех пор, пока батарея полностью не зарядится. На третьей стадии дозаряд осуществляется при релейном переключении двух уровней напряжения, верхним из которых является Уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током на первой стадии заряда, а нижним - уровень, при котором ток подзаряда полностью заряженной батареи составляет 1-2% от номинальной емкости. Нижний уровень напряжения заряда формируется в тот момент, когда второй транзистор запирается и в коллекторной цепи исчезает напряжение, с помощью которого создается положительное, смещение, формирующее верхний уровень напряжения заряда. Переключени с нижнего уровня на верхний произво дится тогда, когда батарея неполнос тью заряжена и напряжение на ее выв дах снижается до уровня, при которо третий транзистор начинает открыват ся и открывает остальные транзистор Когда батарея полностью заряжена, т релейный режим прекращается и ется четвертая стадия подзаряда током, протекающим через первый резистор, цепи формирования опорного напряжения и третий диод. Устройств имеет два регулируемых параметра по нижнему згровню напряжения и по току, при котором происходит пере ключение с- верхнего уровня напряжения заряда на нижний з . Однако при регулировании указанн параметров наблюдается их взаимное влияние, что усложняет настройку, Кроме того, настраиваемый параметр по току отключения зависит от коэффициента усиления регулирующего транзистора, что также ухудшает точность настройки. К недостаткам следует также отнести влияние нестабильности параметров аккумулятЬрной батареи на величину верхнего уровня напряжения заряда и тока переключения.- Так, например, при более высоком внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи ток заряда может быть ниже тока переключения. В.этом случае заряд будет производиться только на одном нижнем уровне, а это может привести к недозаряду аккумуляторов, и наоборот, при низком внутреннем сопротивлении и высокой температуре аккумуляторов ток заряда может не снизиться до тока переключения при заданном верхнем уровне напряжения, и тогда возможен перезаряд аккумуляторов. Цель изобретения - ускорение приведения аккумуляторной бата.реи в рабочее состояние и повышение надежности её функционирования, а также повьпнение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что на аккумуляторную батарею подают зарядные .импульсы тока, амплитуду которых ограничивают пределами 70-.90% номинальной разрядной емкости до тех пор, пока напряжение на батарее в момент прохождения зарядного импульса тока не будет достигать заданного уровня, затем заряд производят импульсами напряжения с амплитудой на уровне, достигнутом к концу заряда импульсами тока, при этомв промежутках между зарядными импульсами подают разрядные, импульсы таким образом, что между концом зарядного импульса и началом разрядного импульса промежутка нет, а между концом разрядного и началом зарядного имеется промежуток, длительность которого зависит от скорости уменьшения напряжения на батарее и от скорости уменьшения сравниваемого с ним опорного напряжения в указанном промежутке. Величина амплитуды зарядных импульсов тока ограничивается конструктивными особенностями аккумулятора, в частности, токосъемников которые при токе по величине, пре- . вышающей 90% номинальной разрядной емкости, будут подвергаться нагреву и могут выйти из строя. В устройстве для заряда аккумуляторной батареи, содержащем источник питания, источник опорного напряжения, Состоящий из последовательно соединенных двух резисторов и стаби литрона и подключенный к зажимам источника питания, конденсатор, резисторы, диоды, шунтирующую выводы для подключения батареи цепочку, первый транзистор, подключенный эмиттером к одному из зажимо источника питания, а коллектором положительному выводу для подключен аккумуляторной батареи и через согласно включенный диод - к общей точке двух резисторов источника опо ного напряжения; второй транзистор, связанный с базой первого транзисто ра и с вторым зажимом источника питания, - через резистор в коллекто ной цепи третий транзистор, связанный коллектором с базой второго транзистора, эмиттером - с шунтирую щей выводы для подключения батареи цепочкой, а базой - с источником опорного напряжения, стабилитрон источника опорного напряжения подключей положительным выводом к отрицательному выводу источника пит ния, цепочка, шунтирующая батарею, выполнена из прямо подключенного к положительному выводу батареи диода и двух последовательно включенных резисторов, средняя точка которых связана с эмиттером третьего транзистора, а база третьего транзистора связана с источником опорного напряжения через дополнительно введенный стабилитрон и шунтирующую этот стабилитрон цепочку из последо вательно соединенных диода и резистора, при зтом положительные выводы стабилитрона и диода подклю чены к .общей точке стабилитрона и одного, из резисторов источника опорного напряжения, а средняя точк шунтирующей стабилитрон цепочки связана через конденсатор с коллек тором второго транзистора. На фиг, I представлены графики зависимостей зарядного тока и напр жения от времени в импульсном режи ме; на фиг. 2 - средние значения тока и напряжения в течение всего зарядного цикла; на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства. На фиг. приняты следующие обозначения: U( - нижний уровень напряжения, допустимый для длитель ного заряда батарей; (Jji - верхний уровень ограничения напряжения на батарее при импульсном заряде; и - нижний уровень напряжения, зависящий от длительности промежутка между импульсами. Способ заключается в следующем. В начальный период заряда импульсами тока напряжение на аккумуляторной батарее низкое, и ток в импульсе достигает максимальной величины, допустимой для данного типа аккумуля.торов, например 0,7-0,9 Сц, где .номинальная емкость аккумуляторов . В момент окончания зарядного импульса следует разрядный импульс, длительность которого 4-6 мкс, а амплитуда численно равна 0,3-0,5 C, Разрядный импульс частично снимает ЭДС поляризации и тем самым ускоряет процесс формирования следующего зарядного импульса. Следующий зарядный импульс формируется в момент, когда напряжение на аккумуляторной батарее выравн№э&ется с опо,рным напряжением, которое в промежутках между импульсами не является постоянной величиной, а изменАется в зависимости от длительности промежутка(паузы)таким образом, что в начале, паузы она имеет определенное значение 1 (фиг. l) , а затем снижается. Величина снижения напряжения тем больше, чем длиннее) пауза между импульсами тока. Таким образом, происходит,постепенное приближение li к нижнему уровию , -при котором гарантируется длительный заряд без интенсивного газообразования и выхода из строя аккумуляторов. Обычно время сравнивания напряжения Uj с напряжением и, выбирается таким, чтобы среднее значение тока было равно 2-3% от номинальной разрядной емкости аккумулятора . Во время существования з.арядного импульса формируется также Ьерхний уровень опорного напряжения Oj который ограничивает напряжение на батарее в момент прохождения зарядного импульса тока, тем самым предотвращается вьщеление водорода в герметичных аккумуляторах. По мере заряда батареи иапрязкение на ее клеммах увеличивается,ЭДС поляризации после окончания зарядного импульса спадает медленнее, поэтому пауза становится длиннее. Среднее значение зарядного тока снижается (фиг. 2), однако среднее значение напряжения заряда продолжает увеличиваться за счет увеличения напряжения импульса зарядного тока. В конце заряда, когда батарея уже практически получила необходимую зарядную емкость, пауза увеличивается настолько, что к ее окончанию опорное напргжение становится равным U(:, среднее значение тока становится равньм току подзаряда, т.е. численно равным 1-2% номинальной емкости аккумуляторов, а среднее значение напряжения. снижается до уровня рекомендуемого для длительного заряда батарей данного типа. Таким образом, обеспечивается безопасный режим постоянного подзаряда аккумуляторных батарей. Устройство, реализующее предлага емый способ, содержит транзистор 1, включенный в зарядную цепь, транзистор 2, включенный в базовую цепь транзистора 1, транзистор 3, включенный в базовую цепь транзисто ра 2, источник 4 опорного напряжения, подключенный к зажимам источни ка 5 питания и включающий в себя резисторы 6, 7 и стабилитрон 8, цепочку 9, шунтирующую аккумуляторную батарею 10 и состоящую из последовательно соединенных диода 1 и резисторов 12 и 13, средняя точка которых подключена к змиттеру транзистора. 3, стабилитрон 14, включенн между базой транзистора 3 и источни ком 4, цепочку 15, шунтирующую стаб литрон 15 и состоящую из диода 16 и резистора 17, конденсатор 18, связы ваюгдий коллектор транзистора 2 со средней точкой цепочки 15., диод 19, подключенный к-средней точке резисторов 6,7 и к коллектору транзисто ра 1, резисторы 20, 21 и 22, конден сатор 23. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источни ка 5 питания на стабилитроне 8 устанавливается опорное напряжение 1ц (фиг. l)i Это напряжение чере стабилитрон 14 поступает на базу транзистора 3. На эмиттере указанно го транзистора имеется напряжение обратной связи, которое при правиль ной настройке схемы ниже опорного напряжения U . Поэтому транзистор 3 открывается и вьщает сигнал на открывание транзисторов 2 и 1. В момент открывания транзистора 2 на его коллекторе появляется положительный потенциал, который через конденсатор 23 и резистор 17 поступает на базу транзистора 3, формируя верхний уровень опорного напряжения. Уровень этого напряжения определяется падением напряжения на стабилитроне 8 источника 4 опорного напряжения и стабилитрона 14. При появлении на базе транзистора 3 более высокого опорного напряжения происходит лавинообразное открывание всех транзисторов и через аккумуляторную батарею прохддит зарядный импульс тока. Если внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи низкое, то величина тока в импульсе ограничивается величиной базового тока транзистора 1. Если внутреннее сопротивление батареи велико, то напряжение на батарее достигает уровняи (фиг. 1). Этот уровень определяется величиной опорного напряжения и не должен превышать значения, при котором могут происходить нежелательные процессы в аккумуляторах, например образование водорода. Длительность зарядного импульса формируется путем подбора параметров элементов схемы, а именно величиной емкости конденсатора 18 и величиной сопротивления резистора 17. Кроме того, длительность зависит также от сопротивления зарядной цепи. Так, если сопротивление зарядной цепи, включая внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, низкое, то длительность импульса максимальна и определяется в основном параметрами элементов схемы, если же сопротивление цепи заряда велико и ток заряда не достигает своего максимального значения, то конденсатор 18 не успевает полностью разряжаться и работает по неполному циклу из-за более низкого напряжения в коллекторной цепи транзистора 2. Зарядный импульс заканчивается, когда ток через конденсатор 8 становится недостаточ ным, чтобы удержать опорное напряжение на заданном уровне. Как только уровень опорного напряжения начнет снижаться, происходит лавинообразное запирание всех транзисторов. В момент запирания транзисторов 3 и 2 базовый ток транзистора 1 исчезает настолько быстро, что накопившийся заряд между коллектором и

эмиттером не успевает пройти через базовый переход в прямом направлении, и образует своего рода источник, подключенный встречно по отношению к источнику 5 питания. Наличие этого источника обеспечивает прохождение через аккумуляторную батарею разрядного тока, амплитуда и длительность которого подбирается путем изменения параметров элементов схемы. Для уменьшения амплитуды разрядного импульса и Улучшения устойчивости работы схемы используется конденсатор 23, шунтирующий базу и коллектор транзистора 2. После окончания разрядного импульса наступает пауза, минимальная длительность которой определяется временем заряда конденсатора 18 по цепи: плюс источника 5 питания, резисторы 6 и 7, диод 16, резистор 20, минус источника 5 питания. Во время заряда конденсатора 18 напряжение на стабилитроне 8 становится меньше напряжения стабилизации, и протекание тока через него прекращается. Затем напряжение на нем восстанавливается, но из-за динамических свойств ток не может мгновенно нарасти до прежней величины. Поэтому в первый момент опорное напряжение становится несколько вьшге т.е. примерно равным U (фиг. I) , и если к этому времени напряжение на эмиттере транзистора 3 станет ниже напряжения Ui, то произойдет очередное открывание всех транзисторов и формирование зарядного импульса тока.

По мере заряда батареи ЭДС поляризации снижается медленнее, запуск транзисторов задерживается и пауза увеличивается. Пауза увеличивается еще и за счет того, что опорное напряжение также снижается за это время на некоторую величину. В конце заряда пауза увеличивается настолько, что опорное напряжение к этому времени становится равным постоянному-значению напряжения стабилизации, при котором допускается безопасный постоянный режим подзаряда.

Уровень напряжения, при котором транзистор 3 начинает открываться.

можно регулировать в некоторых пределах с помощью резистора 12. Диод 1I включен в схему для температурной стабилизации схемы. Диод 19 выполняет функцию защиты от коротких замыканий и исключает влияние колебаний напряжения источника 5 питания на источник 4 опорного напряжения.

Пример. Испытания герметичных батарей. ЗНКГК-ПД взрывобезопасных светильников СГВ2.

В начальный период заряд производится ограниченным током на уровне

6-7 А. По мере заряда среднее

значение напряжения на аккумуляторной батарее повьштается до 4,7 В, а на: конечной стадии заряда снижается до 4,3 Б. При этом ток заряда становится равным току подзаряда 0,2 А.

За три часа после начала заряда батарея, разряженная до 1 В, аккумулятор получает около 85% зарядной емкости. Полное время заряда 4-5 ч. После получения полного заряда батарея остается подключенной к зарядному устройству в течение 96 ч и не выходит из строя. При

установке на заряд батареи, разряженной на 50% от номинальной разрядной емкости, полное время заряда составляет 3,5 ч.

Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют сократить время заряда бата рей из герметичных аккумуляторов в 1,5 раза по сравнению с базовым объектом. Кроме того ,при заряде батарей не тре-, буется систематического доразряда до 1 В на аккумулятор, так как окончание заряда определяется не по количеству сообщенной емкости и не по времени, а по снижению тока заряда до значе ния 1,5-2% от номинальной разрядной емкости. Поэтому полное время приведения аккумуляторных батарей в рабочее состояние сокращается более, чем в 2 раза. Срок службы аккумуляп

0 торных батарей увеличивается в 2 раза за счет исключения преждевременного выхода аккумуляторов из строя.

м/ (It

гОШ..

з 1

FД « LLT« JL

Фиг,2