Способ заряда никель-кадмиевого аккумулятора и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H01M10/48 H02J7/00 G01R31/36 

Ной времени уменьшения напряжения на аккумуляторе до 1,6 В и ведут заряд до тех пор, пока длительность импульсов разрядного тока не станет равной 2 с, после чего разряд прекращают. При этом в процессе заряда непрерывно (1змеряют температуру электролита и Определяют соответствующее ей напря- сение газовыделения по формуле И,73-0,0025Т, а длительность упомя-. yтыx импульсов зарядного тока уста- iaвливaют такой, чтобы среднее значение напряжения на аккумуляторе в течение каждого из этих импульсов нахо- дилось на уровне 0,95-0,98 от найден- ioro напряжения газовьщеления.

Способ осуществляют следующим об- )азом.

Аккумулятор 1 (фиг.1) подключают источнику 2 постоянного тока и бал- liacTHOMy резистору 3 через управляе- 1ые ключи 4 и 5 соответственно. При Замкнутом ключе 4 и разомкнутом ключе р аккумулятор заряжается от источни- jfca 2, когда же ключ 4 разомкнут, а :люч 5 замкнут, он разряжается на резистор 3. Источник 2 настраивают та- «им образом, чтобы зарядньй ток аккумулятора 1 по величине был. равен току получасового разряда аккумулятора. Сопротивление резистора 3 подбирают из условия обеспечения разрядного ipoKa, равного току десятичного разряда. Так, например,для аккумулятора с номинальной емкостью 25 А ч заряд- йый ток устанавливают равным 50 А, k разрядный - 2,5 А.

Работой ключей 4, 5 управляют с Помощью схемы, содержащей блок 6 фор- Мирования импульсов зарядного тока, блок 7 формирования импульсов разрядного тока, блок 8 контроля заряженно- сти и логическое устройство 9. В блоке 6 на основании информации о мгновенном значении U( напряжения на аккумуляторе и температуре Т электролита осуществляется определение среднего значения ид на аккум ляторе в течение импульса зарядного

(

тока и его сравнение с напряжением,

равным (0,95...0,98) U, где U - напряжение газовыделения, определяемо в зависимости от температуры Т по |)ормуле и г 1,73-0,00251. Уровень напряжения (О,95...0,98)Up, несколько Меньший напряжения газовыделения, установлен экспериментально исходя из требования полного устранения га

Q 5

0 5 п

0

5

5

5

зовыделения в аккумуляторе в процессе его заряда. Блок 7 производит сравнение мгновенного значения Цд напряжения на аккумуляторе с опорным напряжением ,6 В. В блоке 8 осуществляется сравнение длительности tp импульсов разрядного тока с эталонным значением t 2 с.

Логическое устройство 9 на основе сигналов, поступагацих с блоков 6-8, вьфабатывает сигналы управления силовыми ключами 4, 5. При ид с(О,95... 0,98)Ur сигналы управления.таковы, что ключ 4 замкнут, а ключ 5 разомкнут, и аккумулятор 1 заряжается от источника 2. Среднее значение Пд напряжения на аккумуляторе возрастает и при БД (0, 95...0,98)Uj., на выходе блока 6 появляется сигнал, по которому производится размыкание ключа 4 и замыкание ключа 5. При этом положении ключей аккумулятор разряжается на балластньш резистор 3. В процессе разряда напряжение ид на аккумуляторе понижается и при Нд -1,6 В на выходе блока 7 появляется сигнал, который приводит к возвращению ключей 4, 5 в исходное положение, т.е. ключ 4 замыкается, а ключ 5 размыкается. Аккумулятор 1 снова подключается к источнику 2 и заряжается. Описанный процесс циклически повторяется, в .результате чего формируется последовательность чередующихся импульсов зарядного и разрядного токов. По мере увеличения заряженности аккумулятора длительность t р импульсов зарядного тока возрастает и для полностью заряженного аккумулятора составляет не менее 2 с. При условии t 2с на выходе блока 8 появляется сигнал, который независимо от сигналов на вы - ход ах блоков 6 и 7 приводит к размыканию обоих ключей 4, 5 и тем самым к прекращению процесса заряда аккумулятора 1.

Один из возможных принципиальных вариантов реализации способа представлен в виде схемы устройства на фиг.2. Это устройство содержит клемм 10 для подключения аккумулятора, с которой посредством ключей 11, 12 связаны соответственно источник 13 постоянного тока и балластньй резистор 14. Для управления ключами служит схема, содержащая связанный с клеммой 10 своим первым входом первый jcoMnapaTop 15, к второму входу кото5161

рого подключен источник 16 опорного напряжения. К выходу компаратора 15 своими R-входами подключены первый 17 и второй 18 RS-триггеры, своим входом инвертор 19 и своим синхронизирующим входом D-триггер 20, к информационному входу которого своим выходом подключен таймер 21. С выходом инвертора 19 своим первым входом связан первый логический элемент И 22, выход которого связан с S-входом триггера 18. К клемме 10 своим входом подключен также измеритель 23 среднего значения напряжения, выход которого связан с первым, входом второго компаратора 24. К второму входу этого компаратора своим выходом подключен функциональ- ньй блок 25, вход которого связан с датчиком 26 температуры электро- лита.

Выход компаратора 24 связан с обнуляющим входом измерителя 23,,J - входом триггера 17, вторым входом логического элемента И 22, управлякщим входом таймера 21. С инверсным выходом триггера 17 своим первым входом связан второй логический элемент И 27 к второму входу которого своим первым входо подключен третий логический элемент И 28 и своим инверсным выходом триггер 20.- Выход логического элемента И 22 связан с -входом триггера 18, прямой выход которого связан с вторым входом логического элемента И 28. Выход логического элемента И 27 связан с управляющим входом ключа 11, а выход логического элемента И 28 - с управляющим входом

ключа 12.

Ключи 11, 12 могут быть вьтолнены, например, на тиристорах или транзисторах, компараторы, триггеры, логические элементы И, таймер и инвер- 45 тор - на стандартньк интегральных микросхемах. Источник опорного напряжения может быть вьтолнен на стабилитронах. Измерителем среднего значения напряжения может служить интег- 50 рато р на основе операционного усилителя. Функциональный блок, реализующий функцию ,73-0,00251, может быть выполнен на операционном усилителе в виде сумматора, В качестве 55

датчика температуры электролита может быть использована термопара.

Устройство для осуществления спо- соба используют следующим образом. .,

46

При включении устройства сигналы на прямых выходах триггеров 17, 18 и 20 равны логическому О, а на инверсных выходах - логической 1.. Сигнал на выходе элемента И 27 равен

логической

Ч

так как на его оба

ю js 20

5 о

5

0

5

0 5

входа поступают равные логической 1 сигналы с инверсных выходов триггеров 17, 20. Этот сигнал, попадая на управляющий вход ключа 11, вызывает за- . икание последнего. В то же время сигналы на входах элемента И 28 не одинаковы: на первый вход этого элемента с инверсного выхода триггера 20 поступает сигнал, равный логической 1, а на его второй вход с прямого выхода триггера 18 - сигнал, равный логическому О. Поэтому сигнал на выходе элемента И 28 равен логическому О,и, поступая на управляющий вход ключа 12, вызывает его размыкание. При указанном положении ключей 11, 12 клемма 10 подключенным к ней аккумулятором присоединяется к источнику 13 тока. Через аккумулятор начинает протекать импульс зарядного тока и напряжение U. на нем возрастает. Это напряжение, снимаемое с клеммы 10, сравнивается компаратором 15 с опорным напряжением UQ, 1 ,6 В, вырабатываемым источником 16. При UA Hjj сигнал на выходе компаратора 15 равен логической 1, а при - логическому нулю. Напряжение U аккумулятора поступает также на вход измерителя 23, которьм определяет среднее значение Up, напряжения на аккумуляторе за время протекания импульса зарядного тока. Функциональный блок 25 для измеренного датчиком 26 значения Т температуры электролита определяет напряжение Up газовьщеления по соотношению ,73-0,00251.

Компаратор 24 сравнивает Ид и Up, При сигнал на выходе компаратора 24 равен логической 1, а при Чд - логическому О. При протекании импульса зарядного тока.и г ,, поэтому сигналы на выходах компараторов 15, 24 равны логическому О и триггеры 17, 18 и 20 находятся в исходном положении. Когда среднее значение Цд напряжения на аккумулятот ре достигает значения Up напряжения газовыделения, сигнал на выходе компаратора 24 становится равным логической 1. Он поступает на вход триггера 17 и переводит его в единич-,.

10

15

ое состояние, что вызывает размыкаие ключа 11 и прекращение протека- 11ия импульса зарядного тока. Этот же игнал поступает на второй вход элеента И 22. На его первый вход постуает также равный логической 1 сиг- ал с выхода инвертора 19, на вход оторого с выхода компаратора 15 по- |1;ается сигнал, равньш логическому i O. В итоге на выходе элемента И 22 появляется сигнал, равньй логической 1, который поступает на S-вход триггера 18 и устанавливает его в, (Единичное состояние, что приводит к замыканию ключа 12, подключакндего Залластный резистор 14 к клемме 10, л началу протекания импульса разрядного тока. Тот же единичный сигнал ; выхода компаратора 24 обйуляет из- 1 еритель 23 и запускает таймер 21, который через заданный промежуток времени 2 с подает на информационшлй- йход триггера 20 сигнал, равньй логи- еской 1. .25 : При протекании разрядного тока Напряжение Ид на аккумуляторе умень- иается. Когда оно достигает уровня Jj и ,на выходе компаратора 15 появляется сигнал, равный логической lV

20

|Этот сигнал поступает на R-входы триггеров 17, 18 и переводит их в нулевое состояние, что вызывает замыкание ключа 11 и размыкание ключа 12. IB результате через аккумулятор снова Начинает протекать зарядный ток. Этот Процесс периодически повторяется, |представляя собой последовательность протекающих через аккумулятор чере- цугацихся импульсов зарядного и ра з- : рядного токов.

По мере заряда аккумулятора длительность импульсов разрядного тока увеличивается. Пока она менее заданного значения 2с, сигналы с выхода компаратора 15, поступакщие на синхронизирующий вход триггера 20s приводят к переключению последнего, поскольку в момент их поступления сигнал на информационном входе этого триггера, снимаемый с выхода таймера 21, равен логическому О. Если же |длительность импульсов разрядного . тока начинает превышать 2 с, сигнал,

30

35

40

45

50

55

равный логической

1 , поступает на

синхронизирующий вход триггера 20, конда на его информационном входе сигнал также равен логической 1.

0

5

5

0

0

5

0

5

0

5

При этом триггер 20 переходит в единичное состояние, и сигнал, равньш логическому О,.-с его инверсного приводит к обнулению выходов элементов И 27, 28 и размыканию ключей 11, 12. Заряд аккумулятора прекращается .

Предлагаемый способ с использованием предлагаемого устройства позволяет ускорить заряд никель-ка т миевых аккумуляторов на 10... и при этом полностью исключить газовьщеление.

Формула изобретения

1.Способ заряда никель-кадмиевого аккумулятора, при котором на аккумулятор подают последовательность чере- дугацихся импульсов зарядного и разрядного токов, .при этом устанавливают амплитуду импульсов зарядного тока равной току получасового разряда аккумулятора, амплитуду импульсов разрядного тока равной току десятичасового. разряда аккумулятора, а длительность импульсов разрядного тока равной времени уменьшения напряжения на заряжаемом аккумуляторе до 1,6 В и ведут заряд до тех пор, пока длительность импульсов разрядного тока не станет равной 2 с, после чего заряд прекращают, отличающийся тем, что, с целью ускорения заряда аккумулятора и предотвращения газовы- деления, в процессе заряда непрерывно измеряют температуру Т электролита

и определяют соответствующее ей напряжение газовьщеления U по формуле Uj 1, 73-Oj 0025 Т, а Длитель ность импульсов зарядного тока устанавливают ,7., -, чтобы среднее значение напряжения на аккумуляторе в течение каждого из этих импульсов находилось на уровне О, 95... О, 98 от найденного напряжения газовыделения.

2.Устройство для заряда никель- кадмиевого аккумулятора, содержащее клемму для подключения аккумулятора, источник опорного напряжения и связанный с ними соответственно своим первым и вторым входами компаратор, свят занные. С его выходом своим входом инвертор и своим R-входом соответственно первый и второй КЗ-триггеры, свя- занньй с выходом этого инвертора своим первым входо м и S-входом первого RS-триггера своим вторым входом логический элемент И, выход которого

10

связан с S-входом второго RS-тригге- ра, а также источник постоянного тока, связанный с ним своим силовым входом первый ключ, выход которого связан с клеммой для подключения аккумулятора, связанньй с этой клеммой своим силовым входом второй ключ, связанный с выходом последнего балластный резистор, и таймер, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, оно дополнительно содержит датчик температуры электролита, связанный с его выходом своим входом функциональный блок, Реализующий функцию U,.f(T), связанный с клеммой для под1слючения аккумулятора своим входом измеритель среднего значения напряжения, связанный с его выходом своим первым входом ,,, с выходом функционального блока воим вторым входом второй компара15

0

,,

5

тор, выход которого связан с обнуляющим входом измерителя среднего ния,напряжения, S-входом первого RS-триггера управлякщим входом таймера и вторым входом первого логического элемента И, связанный с инверсным выходом первого RS-триггера своим первым входом второй логический элемент И, выход которого связан с управляющим входом первого ключа, свяг занный с выходом таймера своим информационным входом и с выходом первого компаратора своим синхронизирующим ,oM D-триггер, связанный с инверсным выходом этого триггера с вторым входом второго логического элемента И своим первым входом и с первым выходом второго RS-триггера своим вторым входом третий логический элемент И, выход которого связан с управляющим входом второго ключа.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технологии заряда никель-кадмиевых аккумуляторов. Цель изобретения - повысить скорость заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и исключить газовыделение. Аккумулятор заряжают асимметричным током, при этом длительность зарядного импульса выбирают равной такой, при которой среднее значение напряжения на аккумуляторе за период становится равным 0,95 - 0,98 от напряжения газовыделения, которое рассчитывают по формуле U_г = 1,73-0,0025 T, где Т - температура электролита, °С. Длительность импульсов разрядного тока устанавливают равной времени уменьшения напряжения на аккумуляторе от уровня, которого это напряжение достигает в конце предшествовавшего импульса зарядного тока, до уровня 1,6 В. Амплитуды импульсов зарядного и разрядного токов выбирают равными току получасового и десятичасового разрядов аккумулятора соответственно. Заряд ведут до тех пор, пока монотонно возрастающая в ходе заряда длительность импульсов разрядного тока не станет равной 2 с. Устройство для реализации способа содержит силовую часть и систему управления. Силовая часть содержит два ключа, с помощью которых аккумулятор подключается к заряжаемому источнику тока или к нагрузке. Система управления осуществляет требуемый для реализации предложенного способа закон переключения ключей. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

СЗ

фцг. 1

Риг. 2