Способ заряда-разряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H02J7/00 H02J7/10 

СП

с

Использование: для ускоренного заряда и экономического разряда аккумуляторных батарей (АБ) в системах электроснабжения автономных транспортных средств, а также подготовки АБ для эксплуатации в условиях низких температур. Сущность изобретения: разряд АБ осуществляют импул ьсами посекционно, причем каждую последующую секцию аккумуляторной батареи поочередно, подключают к рабочей нагрузке непосредственно перед отклонением, заряд АБг производят посекционно в импульсном режиме. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение для ускоренного заряда и экономического разряда на рабочую нагрузку в системах электроснабжения, в том числе и в автономных транспортных средствах типа электромобилей и электрокар, а также может использоваться при подготовке к работе аккумулятора и его эксплуатации в условиях низких температур за счет самонагрева поверхности электродов импульсами высокой частоты.

Известен способ ускоренного заряда аккумуляторной батареи, согласно которому зарядные импульсы прямой проводимости последовательно чередуют с паузами и кратковременными импульсами разряда аккумуляторной батареи на разрядную цепь.

Использование импульсного режима, при котором среднее значение величины разрядного тока может существенно превышать ток одночасового номинального режима заряда аккумулятора, существенно ускоряет процесс заряда аккумуляторной батареи.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ заряда аккумуляторной батареи, включающий заряд последовательностью импульсов, частоту и длительность которых уменьшают в соответствии с уменьшением напряжения на аккумуляторной батареи между заряжающими импульсами, при полном заряде, на аккумуляторную батарею подают редкие импульсы, при которых среднее значение тока не превышает величину тока подзаряда, причем на батарею подают зарядные импульсы, амплитуду которых ограничивают пределами 70-90% номинальной емкости до тех пор, пока напряжение на батарее в период прохождения зарядного импульса не будет достигать заданного уровня, при этом заряд производят импульХ|00

О О

сами с ограничением амплитуды напряжения на достигнутом уровне, а 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 импульсов имеется промежуток, длительность которого зависит от скорости уменьшения напряжения на батарее и от скорости уменьшения сравниваемого с ним напряжения в укЖан$о$Гпрок|ежутке.

К недостаткам известного способа следует отнести недостаточное полное использование импульсного режима, который в известном способе используется только при заряде аккумуляторных батарей и не используется при их разряде импульсами тока высокой плотности на рабочую нагрузку силовой цепи, что существенно ограничивает отдачу аккумуляторной батареи по ампер- часам, т.е. ограничивается электромеханический КПД аккумуляторной батареи, определяемый отношением числа ампер-часов, отданных при разряде к числу ампер- часов, полученных при заряде до первоначального состояния и началом зарядного импульса промежутка нет, а между концом разрядного и началом зарядного импульсов имеется промежуток, длительность которого зависит от скорости умень- шения напряжения на батарее и от скорости уменьшения сравниваемого с ним напряжения в указанном промежутке.

Известно устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее источник питания, источник опорного напряжения, состоящий из последовательно соединенных двух резисторов и стабилитрона и подключенный к зажимам источника питания, конденсатор, шунтирующую выводы для подключения батареи цепочку, первый транзистор, подключенный эмиттером к од- -- ному из зажимов источника питания, а коллектором к положительному выводу для подключения аккумуляторной 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 коллекторный цепи с вторым зажимом источника питания, третий транзистор, связанный коллектором с базой второго транзистора, а эмиттером - с шунтирующей выводы, для подключения батареи, цепочкой, причем положительный вывод 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 из последовательно соединенных диода и резистора, при этом средняя точка шунтирующей цепочки связана через конденсатор с коллектором второго транзистора, а дополнительно введенный стабилитрон и диод шунтирующей его цепочки положительными выводами подключен к общей точ0 ке стабилитрона и одного из резисторов источника опорного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату к предлагаемому является устройство для питания

5 нагрузки, содержащее параллельно включенный источник постоянного тока, например, топливную батарею и буферную аккумуляторную батарею, разделенную на несколько последовательно соединенных

0 секций, причем каждая из секций аккумуляторной батареи подключена к топливной батарее через два автоматически управляемых выключателя.

Источник питания (топливная батарея)

5 посредством ключевых элементов (автоматически управляемые выключатели), управляемых блоком коммутации, поочередно подключают к секции аккумуляторной батареи, последовательно осуществляя их им0 пульсную подразрядку.

Недостатком известного устройства является отсутствие автоматически управляемых выключателей в цепи между секциями аккумуляторной батареи и рабочей нагруз5 кой в силовой цепи, что исключает возможность импульсного режима работы в процессе разряда секций аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку в силовой цепи. Импульсный режим работы известного

0 устройства в режиме заряда позволяет осуществить ускоренный заряд секций аккумуляторной батареи за счет увеличения допустимого значения плотности тока при зарядке, величина которого ограничена ус5 ловиями газовыделения в приэлектродной области. Импульсный режим осуществляется путем последовательного переключения источника питания на очередную секцию аккумуляторной батареи. Таким образом, вус0 тройстве в режиме заряда источник питания работает в непрерывном режиме, а поочередно подзаряжаемые секции аккумуляторной батареи работают в импульсном режиме заряда.

5 К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность реализации его работы в импульсном режиме разряда на рабочую нагрузку силовой цепи, что ограничивает ампер-часовую отдачу аккумуляторной батареи за счет газовыделения и

концентрационной поляризации. При длительном (непрерывном) разряде непрерывным током большой плотности происходит обеднение электролита в приэлектродных слоях и в порах электродов, что приводит к пассивации электродов и к повышению интенсивности газовыделения.

Целью изобретения является повышение экономичности, надежности и долговеч- ности за счет увеличения разрядной емкости.

Это достигается тем, что в способе заряда-разряда аккумуляторной батареи в за- ря,дно-разрядном режиме на аккумуляторную батарею подают последовательность импульсов постоянного тока повышенной плотности, а между импульсами одной полярности подают кратковременные деполяризационные импульсы противоположной полярности, аккумуляторную батарею в режиме разряда на рабочую нагрузку разряжают посекционно, причем все секции аккумуляторной батареи имеют равные потенциалы и каждую последующую секцию поочередно, по кольцевому (стэковому) принципу подключают к рабочей нагрузке силовой цепи непосредственно перед отключением предыдущей секции.

Кроме того, устройство для заряда-разряда аккумуляторной батареи, содержащее источник постоянного тока и аккумуляторную батарею, разделенную на несколько секций, подключенных к источнику питания через автоматические управляемые ключевые элементы, снабжено коммутатором с блоком задатчика и многоканальным переключателем режимов работы, а секции аккумуляторной батареи выполнены равнопотенциальными и при установленном в положении Режим разряда на рабочую нагрузку многоканальном переключателе режимов работы, каждая секция аккумуляторной батареи соединена с рабочей нагрузкой через эммитерно-кол- лекторный переход своих ключевых элементов, подключенных базой к контактам выходных каналов коммутаторов, на задат- чике которого установлены последовательность и длительность управляющих импульсов.

Именно введение многоканальных переключателя режимов работы, коммутатора, задатчика последовательности и длительности управляющих импульсов с возможностью их взаимосвязи в режиме разряда на рабочую нагрузку таким образом, что секции аккумуляторной батареи по- средством управляемых ключевых элементов поочередно в кольцевом (стэковом) режиме подключены к рабочей нагрузке позволяет осуществить импульсный режим работы не только при заряде аккумуляторной батареи, но и при ее разряде на рабочую нагрузку, что обеспечивает достижение поставленной цели изобретений.

В устройство введен многоканальный переключатель режимов работы, посредст0 вом которого секции аккумуляторной батареи в режиме разряда поочередно подключены к рабочей нагрузке силовой цепи.

Новым по отношению к прототипу явля5 ется также и дополнительная возможность реализации высококачественного экономического разогрева электродных пластин аккумулятора в зимнее время. Высокочастотный режим осуществляется

0 при включении минимальной нагрузки и достигался путем изменения скорости коммутации секций аккумуляторной батареи. В высокочастотном режиме, свыше 1000 Гц, индуктированные на поверхности электрод5 ных пластин вихревые токи циркулируют только на наружной части пластин, разогревая не весь электрод и не весь электролит, а только непосредственно поверхность электродов и электролит в прилегающей к

0 поверхности области. Разогрев аккумуляторной батареи в этом случае не требует больших затрат энергии и происходит значительно быстрее.

Улучшение энергетических показателей

5 аккумуляторных батарей, секции которых работают в импульсном режиме, связано в наличием пауз, во время которых снижается ЭДС поляризации и выравнивается плотность электролита в толще электродов и в

0 приэлектродной области, ЭДС поляризации и высокий коэффициент концентрации электролита образованы вследствие воздействия высокой плотности тока, необходимой для ускоренной зарядки аккумулятора. Реа5 лизуется импульсный режим при разряде секций аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку силовой электрической цепи. Плотность тока при разряде может существенно превышать плотность тока при ускоренной

0 зарядке секций аккумуляторной батареи.

Отрицательные факторы, связанные с большими плотностями тока в режиме разряда секций аккумуляторной батареи усугубляются даже по сравнению с режимом

5 ускоренного заряда, так как если в процессе заряда величина тока поддается регулированию, то в процессе разряда на рабочую нагрузку величина тока может во много раз превышать величину зарядного тока, а время и моменты подключения рабочей нагрузки в большинстве случаев носят случайный неуправляемый характер.

Импульсный режим в этом случае, при разряде на рабочую нагрузку, с поддержанием непрерывности и постоянства уровня напряжения, подводимого к рабочей нагрузке, позволяет существенно повысить ампер-часовую отдачу аккумуляторной батареи за счет снижения градиента плотности электролита и снижения ЭДС поляризации.

Способ заряда-разряда аккумуляторный батарей заключается в следующем.

Ускорение заряда аккумуляторной батареи достигается за счет повышения плотности зарядного тока, что в свою очередь вызывает увеличение градиента концентрации электролита в порах пластин электродов и в приэлектродной области, приводит к образованию концентрационной поляризации, Увеличение напряжения обгоняет рост потенциалов электродов и достигает значения, соответствующего активному газовыделению. В этом случае существенная часть тока тратится на разложение воды, разогрев электродов и электролита.

С целью уменьшения газовыделения в режиме ускоренного заряда заряд секций аккумуляторной батареи осуществляется импульсами, длительность которых выбирается достаточно короткой. Улучшение характеристик аккумуляторных батарей, достигаемых при импульсном заряде, в основном объясняется наличием пауз.между импульсами, в течение которых ЭДС поляризации успевает заметно снизиться. Одновременно во время пауз между импульсами происходит диффузионное выравнивание плотности электролита в толще электродов и в приэлектродной области, градиент которой образовался в процессе химических реакций при протекании импульса зарядного тока. Таким образом, наличие пауз при импульсном заряде аккумуляторных батарей способствует более полному использованию активной массы в толще электродов и уменьшению объема газовыделения. Существенное положительное влияние достигается за счет кратковременного поляризационного импульса, воздействующего на секции аккумуляторной батареи в конце зарядного импульса.

Благодаря тому, что заряд секций аккумуляторной батареи осуществляется импульсами заряда, завершающимися кратковременными деполяризационными импульсами, ток заряда используется только непосредственно на полезные химические реакции, что приводит к улучшению

электрических и эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей.

Согласно предлагаемому способу разряд секций аккумуляторных батарей также

осуществляют в импульсном режиме, причем таким образом, чтобы питание рабочей нагрузки в силовой цепи осуществлялось непрерывным постоянным током с поддерживанием постоянного уровня напряжения,

0 подводимого к рабочей нагрузке.

Импульсный режим достигается тем, что аккумуляторную батарею в режиме Разряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку разряжают посекционно, для

5 чего каждую секцию по кольцевому (стэко- вому) принципу поочередно подключают к рабочей нагрузке. Скорость переключения рабочей нагрузки в одной секции аккумуляторной батареи на другую определяют дли0 тельность импульса. Непрерывность и постоянство уровня напряжения питания рабочей нагрузки достигается благодаря тому, что все секции имеют равные потенциалы, а последующую секцию подключают к

5 рабочей нагрузке силовой электрической цепи непосредственно перед отключением предыдущей секции. Следует отметить, что напряжение на зажимах очередной отключаемой секции аккумуляторной батареи в

0 конце импульса всегда ниже потенциала очередной подключаемой к рабочей нагрузке секции, что приводит в момент одновременного включения к образованию кратковременного деполяризационного им5 пульса, который способствует ускорению выравнивания электродного потенциала.

В целом явления, характерные для процесса ускоренного заряда в импульсном режиме с большими плотностями тока

0 согласно прототипу аналогичны явлениям разряда в импульсном режиме согласно предлагаемому техническому решению. Более того, плотности тока при разряде существенно превосходят плотности тока при

5 заряде, т.к. если в процессе заряда амплитуду импульса можно устанавливать в соответствии с расчетом, ,то в процессе разряда на рабочую нагрузку плотность тока изменяется в широких пределах, определяемых ус0 ловиями эксплуатации, и может быть осуществлено превышать амплитуду зарядного тока, особенно в стартерном режиме. Импульсный режим разряда способствует более полному использованию активной

5 массы электродных пластин, что увеличивает разрядную емкость аккумуляторной батареи, улучшает ее эксплуатационные характеристики. Действительно, при длительном разряде на рабочую нагрузку с большими плотностями тока на положительном электроде образуется вода, что в случае достаточной продолжительности воздействия нагрузки приводит к газообразованию, а на отрицательном электроде осаждаются ионы металла и в приэлектродной области увеличивается градиент концентрации электролита, с которым взаимодействуют ионы металла, образуя на поверхности электродов плохорастворимуго мелкозернистую твердую фазу, закупоривающую активную массу в толще электродов, и существенно снижающую их разрядную емкость.

Таким образом, при разряде аккумулятора с высокими плотностями тока сущест- венную роль играет неравномерное распределение поляризации по толщине электродов и высокий градиент плотности электролита в приэлектродной области из- за несоответствия скорости реакции и скорости диффузионного выравнивания плотности электролита.

Импульсный режим разряда за счет пауз между разрядными импульсами путем поочередного отключения секций аккумуляторной батареи и воздействие де- поляризационных импульсов в момент отключения очередной секции позволяют исключить или ограничить рассмотренные отрицательные явления.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на чертеже, совмещенном с графиком управляющих импульсов напряжений Ui(r) и U2(f), расположенными каждый на выходе своего канала коммутатора, и графика регулирующего напряжения U2(r) расположенного под ними.

Устройство содержит аккумуляторную батарею 1, которая имеет равнопотенциаль- ные секций 2, подключенные минусовыми контактами к корпусу или соответственно к отрицательной шине силовой цепи. Плюсовые контакты секций 2 аккумуляторной батареи 1 посредством многоканального переключателя 3, установленного в положении Разряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку посредством его контактов (Ь и d) и контактов (Э и К).

Для реализации способа в схему устройства введены диоды (Дч и Д2) между контактами (Э и К) автоматически управляемого ключевого элемента 4.

Диоды (Д1 и Да) позволяют осуществлять предусмотренный разряд, подключаемой секции аккумуляторной батареи на отключаемую, потенциал которой снижен за время разрядного импульса. ,

Полученный таким образом деполяри- зационный импульс отключаемой секции

аккумуляторной батареи оказывает положительное воздействие при ее под;отовке к новому разрядному импульсу.

Контакты b, d, Э и К автоматически уп- 5 равляемого ключевого элемента 4 подключены к рабочей нагрузке 5, которая другим своим контактом подключена к корпусу или соответственно к отрицательной шине силовой цепи. В режиме работы заряд аккуму0 ляторной батареи секции 2 аккумуляторной батареи 1 контактами (а и с) многоканального переключателя 3 режимов работы и контактами (Э и К) автоматически управляемого ключевого элемента 4 под5 ключены к положительному контакту источника 6 питания, отрицательные контакты которого подключены к корпусу. Каждый автоматически управляемый ключевой элемент 4 своими контактами (Б) базы и (К)

0 коллектора подключены к контактам (е и f) своего канала на выходе коммутатора 7, посредством которого очередная секция 2 аккумуляторной батареи 1 подключена к рабочей нагрузке 5 в режиме работы Раз5 ряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку и к источнику б питания в режиме работы Заряд аккумуляторной батареи. Продолжительность и последовательность управляющих ипульсов устанавливается за0 датчиком 8, подключенным к входу коммутатора 7.

Устройство работает следующим образом.

Автоматически управляемый многока5 нальный переключатель 3 устанавливают в положение, соответствующее выбранному режиму работы Заряд аккумуляторной батареи в соответствии с установленными на задатчике 8 последовательностью и дли0 тельностью управляющих импульсов Ui(r ) и Ltefr), коммутатор 7 поочередно, как это показано на графиках UI(T ) и Ji(r, выдает управляющие импульсы на контакты (е и f) своих выходных каналов. Как видно из при5 веденных графиков, длительность и последовательность управляющих импульсов выбрана таким образом, чтобы обеспечить их перекрытие, при котором к концу импульса разряда каждой предыдущей секции пре0 дусмотрен кратковременный момент совместной работы с каждой последующей, вновь подключаемой секции, имеющей соответственно более высокий потенциал, чем у отключаемой секции. Возникающий при

5 этом деполяризационный импульс и последующая пауза в работе кратковременно отключаемой секции 2 способствуют выравниванию градиента плотности электролита, а следовательно, уменьшению газовыделения в приэлектродной области, а также улучшению фазового состояния вещества на поверхности электродной пластины. Таким образом, поочередный режим подключения секций 2 аккумуляторной батареи 1 способствует улучшению технико-экономических характеристик заявляемого устройства. Этот режим реализован на базе кольцевого счетчика, триггеры которого соединены в сдвигающий регистр, посредством которого отключение последнего канала коммутатора 7 связано с очередным включением его первого канала (стэковый режим работы коммутатора 7). Триггеры могут работать в счетном режиме. Длительность и число счетных импульсов устанавливают на задатчике 8, тем самым определяют последовательность и длительность управляющих импульсов на контактах (е и f) выходных коммутатора 3.

В режиме работы Разряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку секции 2 аккумуляторной батареи 1 через контакты (Ь и d) переключателя 3 и через контакты (Э и К) автоматически управляемого ключа 4 также осуществлен импульсный режим работы, который как и в режиме Разряд аккумуляторной батареи реализован поочередным включением секций 2 аккумуляторной батареи 1 посредством коммутатора 7 в соответствии с установленными на задатчике 8 последовательностью и продолжительностью управляющих импульсов.

Из графиков, представленных на чертеже и совмещенных с блок-схемой устройства, следует, что импульсы одного канала на выходах (Е и f) коммутатора 7 перекрываются перед отключением этого канала импуль- сами на выходах (е и f) другого последующего канала. Такое перекрытие необходимо для деполяризационного воздействия на очередную отключаемую секцию и для обеспечения постоянного уровня напряжения на рабочей нагрузке.

В режиме Разряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку наличие пауз и деполяризационных импульсов перед очередным отключением секций 2 аккумуляторной батареи 1 оказывает еще более эффективное воздействие, чем при заряде, поскольку плотность разряда на несколько порядков может превышать плотность тока при заряде. Отсутствие пауз и деполяризационных импульсов в режиме разряда известных устройств приводит к увеличению плотности электролита и к ухудшению фазового состояния поверхности пластин электродов, что существенно усугубляет поляризацию и вызывает активное газовыделение

Поочередное включение секций 2 аккумуляторной батареи 1 в режиме Разряд аккумуляторной батареи на рабочую нагрузку позволяет реализовать импульсный режим разряда секций 2 аккумуляторной батареи 1 с паузами и перекрытием импульсов, поступающих на рабочую нагрузку.

Перекрытие каждой пары смежных импульсов, как показано на графике Ue ( т),

позволяет не только нормировать деполяри- зационный импульс, но и обеспечивает при импульсном (дискретном) режиме работы секций 2 аккумуляторной батареи 1 непрерывный режим питания рабочей нагрузки 5

напряжением постоянного тока и постоянного уровня.

Импульсный режим работы секций 2 аккумуляторной батареи 1 при непрерывном питании рабочей нагрузки 5 напряжением

постоянного уровня является характерной особенностью предлагаемого способа.

Для обеспечения саморазогрева секций 2 аккумуляторной батареи 1 устанавливают высокочастотный режим посредством задатчика 8 и подключают минимальную нагрузку 5.

Возможность импульсного разряда секций 2 аккумуляторной батареи 1 с обеспечением непрерывности и постоянства уровня

напряжения питания, подводимого к рабочей нагрузке, способствует более полному использованию активной массы электродов, выравниванию плотности электролита в порах электродов и в приэлектродной области, уменьшению или устранению газовыделения. В результате большая часть тока при импульсном разряде идет на полезные электрохимические реакции, при этом существенно уменьшается внутреннее сопротивление секций аккумуляторных батарей, т.к. во время паузы и за счет деполяризационных импульсов ЭДС поляризация успевает заметно снизиться.

Ограничение газовыделения за счет импульсного разряда позволяет существенно увеличить допустимый ток разряда аккумулятора. В целом уменьшение или устранение газовыделения, уменьшение ЭДС поляризации, обеспечение необходимых условий образования твердой фазы на поверхности электродов при значительных токах разряда, вплоть до стартерных, позволяет существенно улучшить энергетические и эксплуатационные характеристики аккумуляторных батарей, увеличить разрядную емкость, повысить надежность и долговечность и, при использовании высокочастотного режима работы обеспечить ускоренный и экономичный саморазогрев

аккумулятора в условиях низких температур,

Формула изобретения 1. Способ заряда-разряда аккумуляторной батареи, при котором в зарядном-раз- рядном режиме на аккумуляторную батарею подают последовательность импульсов постоянного тока повышенной плотности, а между импульсами одной полярности подают кратковременные деполя- ризационные импульсы противоположной полярности, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, надежности и долговечности за счет увеличения разрядной емкости, аккумуляторную бата- рею в режиме разряда на рабочую нагрузку разряжают посекционно, причем все секции имеют равные потенциалы и каждую последующую секцию поочередно по кольцевому принципу подключают к рабочей на- грузке непосредственно перед отключением предыдущей секции.

2. Устройство для заряда-разряда аккумуляторной батареи, содержащее источник постоянного тока и аккумуляторную батарею, разделенную на несколько секций, подключенных к источнику через автоматически управляемые ключевые элементы, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено коммутатором с блоком задатчика и многоканальным переключателем режимов работы, а секции аккумуляторной батареи выполнены равнопотенциальными и через переключатель режимов работы каждая секция аккумуляторной батареи соединена с источником постоянного тока и с рабочей нагрузкой через эмиттерно-коллекторный переход своих ключевых элементов, подключенных базой к контактам выходных каналов коммутатора, на задатчике которого установлены последовательность , и длительность управляющих импульсов.