Способ эксплуатации аккумуляторной батареи Советский патент 1993 года по МПК H01M10/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей, длительно работающих в режиме циклирования, например, в составе автономных систем электроснабжения.

В настоящее время широкое распространение в системах электроснабжения (СЭС) автономных объектов, работающих длительное время (до 5-7 лет) в автоматическом режиме, получили никель-кадмиевые герметичные и никель-водородные аккумуляторные батареи. Примером способа эксплуатации аккумуляторных батарей в СЭС подобного типа может служить система, которая содержит генератор элек- .

троэнергии типа солнечной батареи, работающей в циклическом режиме, одну или несколько аккумуляторных батарей, функционирующих в режиме заряд - разряд, регулирующую аппаратуру дискретного типа, энергопотребители. В процессе длительной эксплуатации аккумуляторных батарей в составе СЭС происходит разбегание по сте- пени заряженности отдельных аккумуляторов в батареях, что может привести к выходу из cfpoa некоторых из них. Кроме того, длительное цитирование сопровождается ухудшением энергетических характеристик батарей, снижением жесткости их внешней характеристики, вследствие происходящих процессов деградации - как

VI

00 00 СЛ

со

4

необратимых, так и обратимых, с возможностью частичного или полного восстановления характеристик аккумуляторов.

Известен способ эксплуатации аккумуляторных батарей, описанный в, который предполагает в процессе Функционирования периодическое проведение восстановительных циклов путем осуществления глубоких поэлементных разрядов каждого из аккумуляторов батареи на активное сопротивление с последующим восстановлением зарядной емкости батареи. Процесс восстановления происходит следующим образом. Предварительно разряженную до некоторого уровня при штатной работе батарею, которую необходимо подвергнуть указанной процедуре, отключают от цепи питания потребителей и цепи заряда, и подключают к ней (к каждому аккумулятору) цепочку резисторов по двухпроводной схеме, разряжая индивидуально каждый аккумулятор на свой резистор. После окончания глубокого разряда цепь резисторов отключают от аккумуляторов и осуществляют полный заряд батареи до требуемого уровня от общей цепи заряда. Аналогично осуществляют операцию восстановления других батарей в системе. Данный способ эксплуатации, наряду с восстановлением характе- .ристик аккумуляторов, позволяет, путем проведения глубоких разрядов отде льн ых аккумуляторов в батарее, провести выравнивание уровней зараженностиотдельных аккумуляторов в батарее. Однако, данный способ эксплуатации батарей и средства его реализации не лишены существенных недостатков. Во-первых, необходимым условием проведения операции восстановления является отключение данной батареи из общей цепи питания нагрузки, вследствие широкого диапазона изменения напряже- . ния на батарее, что предполагает наличие определенного запаса по емкости в системе. Это ухудшает удельные энергетические характеристики подсистемы аккумулирования и СЭС в целом. Во-вторых, энергия полного разряда восстанавливающейся батареи бесполезно (в лучшем случае 6ecW6лезно, т.к., например, на ряде объектов специального назначения, в том числе космических аппаратах, приходится принимать дополнител ьные Шры,; сопровождающиеся соответствующими энергетическими затратами - для утилизации этой энергии) расходуется (преобразуется) в тепловую энергию на резисторах, Этб такжё в целом ухудшает энергетические показатели системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ эксплуатации аккумуляторной батареи, принятый за прототип, включающий периодическую разгрузку отдельных аккумуляторов от тока рабочей нагрузки с последующим вос. становлением их характеристик путем индивидуального глубокого разряда и последующего заряда, вследствие чего аккумуляторы исключают поочередно из цепи батареи на время восстановления, восстанавливают их характеристики, затем подключают в цепь батареи.

Основными недостатками данного способа являются следующие.

Необходимость наличия сложного коммутационного узла, рассчитываемого к тому же на коммутацию максимальных токов батареи, обеспечивающего бесперебойное электроснабжение потребителей при отключении и подключении отдельных аккумуляторов без коммутационных помех и уравнительных токов между аккумуляторами. Масса и габариты коммутатора довольно значительны. При этом в коммутационных элементах имеют место

как статические, так и динамические потери энергии, также снижающие удельные энергетические характеристики батареи.

Исключение из цепи батареи одного аккумулятора для восстановления его характеристик в прототипе снижает удельные энергетические характеристики батареи, т.к. в рабочей цепи батареи остается на один аккумулятор меньше при той же массе батареи, как следует из основного пункта формулы изобретения. Подключение дополнительного аккумулятора вместо восстанавливаемого также снижает удельные . энергетические характеристики батареи вследствие увеличения ее массы на величину массы дополнительного аккумулятора.

Известный способ не позволяет максимально использовать имеющиеся возможности по восстановлению характеристик аккумуляторов, в частности реализовать режим переполюсования аккумулятора.

При восстановлении характеристик предварительно отключенного из цепи батарей а ккумулятора в известном способе, разряд аккумулятора производится на доразрядный резистор. При этом энергия до- разряда безвозвратно преобразуется в тепло, что энергетически нерационально.

Зарядное устройство, подключаемое к восстанавливаемому аккумулятору, имеет

малый КПД из-за низкого напряжения заряда отдельных аккумуляторов.

Не использование при восстановлении характеристик аккумуляторов энергии заряда и разряда полной батареи увеличивает время восстановления, повышает установленную мощность устройства для восстановления, снижает его КПД.

В целом указанные недозтатки известного способа приводят к снижению удельных энергетических характеристик батареи.

Целью изобретения является повышение удельных энергетических характеристик батареи.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе эксплуатации батареи, преимущественно длительно циклируемой, включающем операцию восстановления характеристик аккумуляторов путем их индивидуального глубокого разряда и последующего заряда, производят, без от- ключения аккумуляторов из цепи батареи, поочередный индивидуальный глубокий разряд каждого аккумулятора батареи до определенного уровня напряжения, например, нулевого, с последующим его зарядом до заданного уровня заряженное™, соответствующего, например,максимальной зарядной емкости аккумулятора, путем поочередного индивидуального регулирования зарядного и разрядного тока отдель- ных аккумуляторов в батарее в процессе ее штатной эксплуатации.

В отличие от прототипа, в котором процесс восстановления происходите исключением отдельных аккумуляторов из батареи, восстановление характеристик батареи по предложенному способу производится без исключения аккумуляторов из цепи батареи в процессе ее штатной эксплуатации.

Эксплуатация аккумуляторной батареи по предложенному способу происходит следующим образом.

В процессе циклирования аккумуляторной батареи контролируют уровни зарлжен- ности отдельных аккумуляторов. Восстановительный цикл проводят поочередно для каждого аккумулятора в батарее при снижении текущего уровня зарядной емкости на любом из них до заданной величины, контролируя, например, уровень ми- нимального разрядного напряжения аккумуляторов. При этом производят индивидуальный глубокий разряд данного 1-го аккумулятора в батарее без отключения его из цепи батареи, например, от индивиду- ального реверсивного зарядно-разрядного устройства, до требуемого уровня напряжения, например, нулевого, током разряда Ip.axi. При наличии общего тока заряда (разряда) батареи 1аб, ток 1-го аккумулятора ра- вен сумме тока батареи и тока разряда индивидуального зарядно-разрйдКого устройства 1р. эру

1р..зру - аб.

Момент окончания глубокого разряда определяют, например, по величине разрядного тока 1-го аккумулятора при заданном уровне ограничения разрядного напряжения.

Далее производят индивидуальный заряд данного 1-го аккумулятора до определён ното Гна п римёр Г мэ ксШ а йь rioVa y ро вн я его зарядной емкости от упомянутого индивидуального реверсивного зарядно-разрядного устройства током

1з..зру ±1аб.

На этом процесс восстановления 1-гоак- кумулятора заканчйв аютГ1

После окончания восстановления характеристик 1-го аккумулятора, поочередно проводят аналогичную последовательность операций для каждого аккумулятора в бдта- реё, ЬсУщ ествлШтём ҐШ ние характеристик всех аккумуляторов без отключения их йз ЦШй батареи путем поочередного индивидуального регулирования зарядного и разрядШ тбка отдельных Аккумуляторов в батарее в процессе ее штатной эксплуатации с помощью индивидуального зарядчо-гУазрЪдного устройства.

Техническую реализацию предлагаемого спо соба эксплуатации батареи осуществляют известными устройствами, например, следующего состава: блок коммутации со схемой управления, устройство поэлементного контрол я аккумуляторов, индивидуаль: ное зарядНо-разряднОе устройство, выполненное в виде обратимого регулятора.

Предлагаемый способ эксплуатации аккумуляторных батарей обладает рядом преимуществ по сравнению с известными способами и позволяет устранить основные недостатки прототипа.

Вместо сложного коммутационного узла в прототипе, рассчитанного на максимальные рабочие токи батареи, отключение отдельных аккумуляторов из батареи без перерыва электроснабжения, имеющего большие массу и габариты, вводится блок коммутации с меньшими в несколько раз массой и габаритами, рассчитываемой на рабочий ток, определяемый максимальным током индивидуального зарядно-раз рядно- го устройства. Это способствует повышению удельных1 энергетических показателей подсистемы аккумулирований.

Отсутствие дополнительного аккумулятора в батарее, а также отсутствие исключённых бата р еи отдельных аккумуляторов на время восстановления их характеристик, повышает удельные энергетические характеристики аккумуляторной батареи.

Предлагаемый способ эксплуатации батареи позволяет также расширить функциональные возможности восстановления, в частности, реализовать режим переполюсо- вания аккумуляторов за счет использования, наряду с током индивидуального зарядно-разрядного устройства, общего тока батареи, что принципиально исключается в известном способе. Это позволяет снизить установленную мощность индивидуального зарядно-разрядного устройства, увеличивает его КПД, уменьшает время разряда (заряда) аккумуляторов при их восстановлений.....-...

Использование в предлагаемом способе индивидуального зарядно-разрядного устройства, по сравнению с обычным дораз- рядным резистором в прототипе, позволяет рекуперировать в сеть (в батарею) энергию глубокого разряда аккумуляторов, что также повышает энергетические характеристики батареи.

Существенным достоинством предлагаемого способа является также отсутствие дополнительных функциональных операций и связанных с ними потерь энергии на поддержание работоспособности отдельных аккумуляторов батареи при отсутствии необходимости в восстановлений характеристик аккумуляторов, что повышает надежность и удобство эксплуатации батарей,

улучшает энергетические характеристики батареи.

В целом предлагаемый способ эксплуатации позволяет существенно повысить удельные энергетические характеристики батарей и улучшить их эксплуатационные показатели. Данный способ эксплуатации применим к батареям, содержащим аккумуляторы различных типов: никель-кадмиевых

0 герметичных, никель-водородных, серебряно-цинковых и других, нашедших распространение в системах электроснабжения автономных объектов.

Формула изобретения

5 Способ эксплуатации аккумуляторной батареи, длительно работающей в режиме цитирования, включающий операцию восстановления характеристик аккумуляторов путем их индивидуального глубокого разря0 да и последующего заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения удельных

энергетических характеристик батареи, периодически производят, без отключения аккумуляторов из цепи батареи, поочередный

5 индивидуальный глубокий разряд каждого аккумулятора батареи до определенного уровня напряжения с последующим его зарядом до заданного уровня заряженности, соответствующего максимальной зарядной

0 емкости аккумулятора путем поочередного индивидуального регулирования зарядного и разрядного токов в отдельных аккумуляторов в батарее в процессе ее штатной эксплуатации.

Использование: в системах электроснабжения автономных объектов различного назначения. Сущность изобретения: в процессе функционирования аккумуляторной батареи в режиме цитирования зарядная емкость батареи снижается до заданного уровня. При этом система обеспечивает режим поочередного последовательного подключения отдельных аккумуляторов батареи на регулируемый разряд. Аккумуляторная батарея продолжает разряжаться. При достижении разряжаемым аккумулятором состояния конца разряда его переключают на заряд. с/ С