Способ эксплуатации аккумуляторной батареи Советский патент 1980 года по МПК H01M10/42 

t

Изобретение относится к электротехнике и,может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ), длительно работающих вg циклическом режиме.

В Процессе длительной эксплуатации батарей последовательно соединенных химических аккумуляторов в циклическом режиме возникает различие как в уров-jg нях заряженности аккумуляторов (в долях фактической емкости), так и в величинах фактических емкостей (абсолютная величина количества электричества, которую может иметь аккумулятор), обусловленное неидентичностью характеристик аккумуляторов и неодинаковым их изменением йо времени, В этом случае для исключения возможности перезаряда и переразряда аккумуляторовзаряд АВ прекращают по первому зарядившемуся, а разряд по первому разрядившемуся аккумулятору, и связи с чем потенциальные энергетические возможности остальных 25 аккумуляторов в полной мере не используются, что существенно снижает удельные характеристики АБ в целом.

Известны способы эксплуатации АБ, предусматривающие нивелирование уровней заряженности. аккумуляторов и обеспечивающие тем самлм возможность бйлее полного заряда батареи, причем батарею на верхнем уровне заряженности, который определяют или по величине ; напряжения . . или по появлению кислорода в газовой фазе 2, или по счетчику. аксперчасов 3 переводят в режим заряда током, близким к току неограниченного перезаряда. При этом из-за убывающего характера зависимости эффективности использования зарядного тока от заряженности аккумулятора различие в . уровнях заряженности аккумуляторов уменьшается, т.е. происходит инвелирование всех аккумуляторов АБ на верхнем уровне заряженности.

Известны также способы эксплуатации АБ, предусматривающие нивелирование заряженности аккумуляторов путем их глубокого индивидуального разряда до минимально допустимого уровня 4, 5. В этих способах прекращают использование АБ по прямому назначению и параллельно каждому аккумулятору подключают резистор на время доразряда всех аккумуляторов, в связи с чем происходит нивелирование всех аккумуляторов на нижнем уровне заряженности. К недостаткам этих способов, следует отнести, BO-nepBfcJx, необходамость прерывания штатного и создание специального токовогр режима работы всей АБ или каждого из ее аккумулято ров на время нивелирования, в течение которого батарея не может; исполь зоваться по назначению, а во-вторых, наличие непроизводительных затрат электроэнергии в. процессе нивелирования. Наиболее близким к изобретению является способ эксплуат.ации АБ, пре дусматривающий на заряде АБ в ходе ее использования по назначению нивелиро вание уровней заряженности аккумуляторов путем их индивидуальной разгрузки от тока внешней цепи батареи параллельно подключенными казкдому ак 1 умулятору элементами - электрохимическими стабилизаторами напряжения б. По способу аккумуляторы , заряженность которых достигла установленного уровня, определяемого вел чиной конечного зарядного напряжения задаваемого элементами, шунтирующими каждый из аккумуляторов, индивидуаль но разгружаются от тока цепи АБ (шунтирующий элемент пропускает через себя зарядный ток АБ в обход аккумулятора) и их заряженность с эт го момен га не изменяется, а остальные аккумуляторы под действием тока внешней цепи продолжают увеличивать свой уровень заряженности, чем и дос тигается нивелирование заряженности всех аккумуляторов на установленном уровне. При этом уровень заряженности аккумуляторов и степень их нивели рования определяется характеристикаv шунтирующих элементов. Основными недостатками способа яв ляются, во-первых, потери электроэнергии в процессе нивелирования, ко торая непроизводительно расходуется при отводе тока внешней цепи на инди видуальные шунтирующие элементы, что снижает энергетические характеристик АБ в целом, а также создает ДопбЛните ную нагрузку на первичный генератор электроэнергии и на средства отвода тепла, во-вторых, неидентичность изменения в процессе эксплуатации АБ характеристик аккумуляторов и шунтирующих элементов может прййёсТй к недозаряду или перезаряду отдельных аккумуляторов и, как следствие, к снижению энергетических и ухудшению эксплуатационных характеристик АБ, в-третьих, для осутцествления процесса нивелирования необходимо капичест во шунтйруюсцих элементов, равНЬе количеству аккумуляторов, а их харак теристики должны удовлетворять преЯьяЕ1Ляемыь1. требованиям по ограличе НИМ Уровней 3 аряжёйности аккуь лято ров при различных условиях и режимах

748588 работы в течение длительного времени, что сопряжено со значительными трудНбстялш., Кроме того, заряженность аккумуляторов, при которой производится нивелирование, ощзеделяется только величиной зарядного напряжения, задаваемого шунтирующими элементами, в то время как другие критерии заряженности, например давление, температура, появление кислорода, в принципе не могут быть использованы, что сушественно сужает облает применения этого способа. Кроме того, нивелирование заряженности акку1 ляторЬв : производится только на одном конкретном уровне и на одном режиме работы АВ (например. На заряде), что также приводит к недоиспользованию потенциальных t энергетических возможностей и, следовательно, снижению удельных характеристик АБ. Это объясняется следуюатим. Если, например, нивелирование производится на заряде АБ на верхнем уровне заряженности аккумуляторов, то последующий разряд из-за возможного различия в фактических емкостях аккумуляторов) должен быть прекращен по nepBoliy разрядившемуся аккумулятору во избежание его перезаряда. Следовательно, оставшаяся емкость остальных аккумуляторов не может быть использована. ЦельйзоЬретения - повышение удельных энергетических характеристик и увеличение срока службы АБ. Это достигается тем, что по предлагаемому способу эксплуатации АБ операцию нивелирования производят как на заряде, так и на разряде АБ путем поочередного выборочного подключения вспомогательногр.накопителя электроэнергии (НЭ) определенной емкости к аккумуляторам с различающимися уровнягда заряженности, которые контролируют в процессе циклирования батареи. Швелирование уровней заряженности аккумуляторов в предлагаемом способе обеспечивается следующим образом. . подключение НЭ к аккумулятору приводит к изменению энергетических характеристик его внешней цепи, из-за чего возникает различие в скоростях изменения уровня заряженности данного и остальных аккумуляторов АБ. Для достижейия нивелирования з 1ряженностей .очередность подключения НЭ к аккумуляторам АБ устанавливают таким . образом, чтобы указанное различие в скоростях приводило к уменьшению различия в уровнях заряженности. Действительно, если, например. На заряде АБ к более заряженным аккумуляторам поочередно подключать предварительно разряженный НЭ, то он, накапливая электроэнергию (заряжаясь), отводит/ , ее от этих аккумуляторов, поочередно уменьшая тем самым скорость их заря да, а на разряде АБ, поочередно подключать НЭ к более разряженным аккумуляторам, то он, заряженный при заряде АВ, возвращает им накопленную электроэнергию (разряжается), уменьшая тем самым скорость их разряда. Из этого следует, что изменение уровня заряженности аккумулятора с подключенным НЭ как на заряде, так и на разряде АБ замедляется, в то время как остальные аккумуляторы под действием полного тока внаиней цепи АБ по уровню заряженности приближают ся к аккумулятору с подключенным НЭ, т.е. происходит поочередное нивёлиро вание уровней заряженности всех аккумуляторов АБ как на заряде, так и на разряде, при этом осуществляется направленная передача электроэнергии между аккумуляторами с различными уровнями за;ряженности, а непроизводительные потери энергии (за исключени ем потерь в НЭ.обусловленных тем. что его КПДi 1) отсутствуют. Следовательно, каждому аккумулято ру АБ можно сообщить на заряде и снять с него на разряде максимальное количестве электричества,равное по величине его фактической емкости, и, тем самым, иметь максимально высокие удельные характеристики АБ в целом в течение длительного времени ее циклирования. Следует отметить, что определение различия в уровнях заряженности, аккумуляторов может производиться по любому из критериев заряженностир что значительно расширяет область использования способа и упрощает выбор средств его реализации. По предлагаемому способу поочеред ное подключение НЭ к нивелируемым коммутаторам.производят выборочно, причем в качестве очередного aKKyN лятора, к которому подключают НЭ, выбирают с1ккумулятор, имеющий на разряде АБ наименьший, ,а на заряде наибольший уровень заряженности. Указанным выборочным подключениемдости« гается, во-первых, повышение надежности предотвращения перезаряда и переразряда и, как следствие, увеличение срока служил АБ, поскольку в качестве очередного аккумулятора для подключения.НЭ (для задержки изменения уровня его заряженности) выбирает ся именно тот аккумулятор, уровень заряженности которого быстрее всех достигнет предельно допустимой величины, а во-вторых, ускорение процесса нивелирования, т.е. НЭ в первую очередь подключается к аккумулятору с наибольшим различием в уровне заряженности. Емкость вспомогательного НЭ Q, определяют из условия п Q- - фактическая емкость 1-го аккумулятора АБ; . Qj - наибольшая из Q- фактическая емкость; п - количество аккумуляторов в бдтарее; ,...,n. Выполнением этого условия обеспечивается, во-первых, возможность нивелирования уровней заряженностей всех аккумуляторов АБ одним НЭ, а, во-вторых, исключается выбор НЭ с многократным запас.рм по емкости (при равенстве в указа.нном условии) , чем достигается уменьшение его массы, и, как следствие, увеличение удельных характеристик системы АБ + НЭ. Поочередное нивелирование произво.дят с момента достижения первым из аккумуляторов установленного уровня заряженности, например близкого к предельно допустимому, в связи с чем достигается возможность заряда и разряда всех аккумуляторов до предельно допустимого уровня, и, как сл едствие, полное использование потенциальных возможностей АБ. Это следует из того, что максимальный заряд и разряд АБ возможей лишь Щяя достижений предельной заряженности всеми аккумуляторами одновременно, что и происходит при нивелировании аккумуляторов на уровнях заряженности, близких к предельно допустимым. Нивелирование производят при достижении заданного различия в уровнях заряженности аккумуляторов АБ. Поскольку при малых различиях в уровнях заряженности аккумуляторов эффективность нивелирования значительно уменьшается, а упомянутые различия накапливаются в течение длительного циклирования АБ, то указанным порядком нивелирования-достигается уменьшение количества подключений НЭ, и, как следствие, увеличение ресурса работы как НЭ, так и других средств, реализующих данный способ. В качестве НЭ испбльзуют аккумулятор такой же электрохимической системы, как и аккумулятор батареи. Вследствие того, что как характеристики, так и их изменение во времени для НЭ и аккумуляторов АБ аналогичны, обеспечиваетузя эффективность нивелирования в течение длительного циклирования АБ, Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых, в качестве примера, приведены зависимости изменения во времени уровней заряженности аккумуляторов АБ (в долях факти- : ческой емкости Q/Q) и электроэнергии B НЭ (W) в процессе нивелирования как на заряде, так и на раэряде батареи. С целью наглядности принято, что только два из п аккумуляторов АБ отличаются уровнем эаряженности, а остальные п - 2 акКумулятбров иден тичны, и что изменение упомянутых зависимостей происходит по линейному закону. Кроме того, изображена только часть процесса циклирования АБ, что показано соответствующей оцифров кой оси абсцисс, и показан процесс нивелирования аккумуляторов с момента достижения первым из них установленного уровня ааряженности, близкого к предельно допустимому. Нд фиг. 1 показан процесс нивелирования аккумуляторов на заряде АБ. Кривыми 1 и 2 обозначены зависимости изменения во времени уровней заряженности двух аккумуляторов АЁ, кривой 3 - остальных п - 2 аккумуляторов, а кривой 4 - изменение электр энергии в НЭ, Прямая 5 соответствует установленному-уровню заряженности, с момента достижения которого первым из аккумуляторов АБ производят операцию нивелирования, а прямая б предельно допустимому уровню заряжен нос.ти аккумуляторов АБ. моменты поочередной коммутации НЭ к аккумуляторам АБ, t - моменты прекращения заряда АБ, (f и Е- наперед заданные величины различия в уровнях заряженности аккумуляторов АБ, по ко горым определяют необходимость подключения и отключения НЭ соответстве но. Процесснивелирования уровней зар женности аккумуляторов на заряде АБ осуществляется следующим образом (см, фиг. 1) . , В ходе использования АБ по назнач ниюна заряде контролируют уровни заряженноЪти аккумуляторов (кривые : 1-3) и сравнивают их с установленным уровнем (прямая 5). В момент достиже ния первым аккумулятором АБ установленного уровня (момент времени t) выполняют следующую совокупность опе раций: определяют наибольшую величину различия в уровнях заряженности аккумуляторов (расстояние меАду кривыми 1 .и 3) и, если она превышает на перед заданную величину (J) ,- /выявляют аккумулятор с наибольшим уровнем заряженности (кривая 1) и подключ ают к нему НЭ. С этого момента увеличивается количество электроэнергии1в НЭ (кривая 4) и уменьшается различи между уровнями заряжен ности аккумуля тора с подключенным НЭ и аккумулято ра с наименьшим уровнем заряженности (уменьшается расстояние между кривы ми 1 и 3), ив момент времени (t2), когда это различие достигает напере заданной величины (f), НЭ Ьтклю Шт от этого аккумулятора.

8 Далее повторяют упомянутую совокупность операций, в ходе выполнения которых НЭ подключают (в момент tg) к очередному аккумулятору с наибольшим уровнем заряженности {кривая 2), а затем отключают (в момент t) , когда различие в его уровне заряженности (расстояние между кривыми 2 и 3) достигает наперед заданной величины ), при этом количество электроэнергии в НЭ увеличивается (кривая 4 на интервале At t - t ). В результате проведенных операций нивелирования различие в уровнях заряженности всех аккумуляторов (расстояния между любыми двумя кривыми из числа кривых 1-3) будет меньше наперёд заданной величины (с) Вата-рею заряжают далее и в момент достижения любым из Н аккумуляторов (кривая 1) предельно допустимого уровня заряженности (прямая 6) заряд АБ прекращают (момен t4). При этом (на интервале &,Ь t - t-) НЭ к аккумуляторам не коммутируют, в связи с чем количество электроэнергии в нем сохраняется на постоянном уровне. На фиг. 2 показан процесс нивелирования уровней заряженности аккумуляторов при разряде АБ. Кривыми 1-4 На фиг, 2 соответственно обозначены такие же зависимости, как-и на фиг. 1, только на разряде АБ. Прямыми 5 и б обозначены соответственно заранее установленный уровень заряженности аккумуляторов, начиная с которого производят нивелирование на разряде и предварительно допустимый уровень разряда аккумуляторов АБ. Моменты t , t, а также величины (f и g соответствуют тем же обозначениям, что и на фиг, 1; t. - момент прекращения разряда АБ. Процесс нивелирования уровней заряженности аккумуляторов на разряде АБ (см. фиг. 2) осуществляют анало/ично нивелированию на заряде (см.фиг.) . Отличие состоит лишь в том, что поочередное подключение НЭ производят к аккумуляторам с наименьшим уровнем заряженности, а также в том, что в . ходе нивелирования аккумуляторов на разряде АБ (на интервалелЪ t -t) количество электроэнергии в НЭ уменьшается (он отдает электроэнергию, накопленную в процессе нивелирования аккумуляторов на заряде АБ) . Поскольку на момент прекргяцения заряда и разряда АБ (моменты t на фиг. 1 и 2) различия между уровнями /заряженности аккумуляторов не превосходят наперед заданной величины (gr и могут быть скаль угодно малыми (при соответствующем выборе (Ги t) ,то изложенные выше операции ни велирования позволяют соответственно зарядить; и разрядить все аккумуляторы АБ до предельно допустимого уровня и, тем самым, максимально использовать потенциальные энергетические характеристики батареи. Использование предлагаемого способа эксплуатации аккумуляторной ба тареи обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преи мущества: -повышение удельных энергетичес ких характериртик АБ в условиях их длительного циклирования, что особе но важно при использовании АБ в сос таве автономных систем электропитания;--уменьшение непроизводительных потерь электроэнергии в процессе эксплуатации АБ, что важно в усло ВИЯХ, где используется первичный ге нератор ограниченной производительности и где имеются ограничения на , применение средств отвода и поглоще ния тепла; -улучшение эксплуатационных характеристик и увеличение срока служ бы АБ; - возможность использования различных критериев заряженности (или их комбинации) аккумуляторов АБ, чт расширяет возможную область примене ния Э.ТОГО способа и упрощает выбор и оптимизацию средств его реализаци -повьгшение унификации средств, реализующих данный способ, что ; обусловлено применением в качестве накопителя электроэнергии аккумулят ра такой же электрохимической систе NK, что и аккумуляторы батареи. Предлагаемый спрсрб эксплуатации АБ-был проверен на батарее никелькадмиевых аккумуляторов 22 НКГК-33-С (масса 37,5 кг) с использованием в качеЬтве накопительного элементаод ного из запасных аккумуляторов -ЗИП аккумулятора. . Батарея находилась в эксплуатации (с периодическим нивелированием путем индивидуального доразряд а всех аккумуляторов до 0,0 В) в течение 3 лет и имела к моменту проверки раз 1рядную ёмкость контрольного цикла. 22,0 А.ч, а удельную энергию 16,2 Вт,ч/кг. Различия в фактических емкостях аккумуляторов АБ составляли 15-20% (На индивидуальных контрол ных циклах разрядная емкость двадцати сжкумуляторов составляла 31,6 А.ч а остальных двух - 26 и 22 А.ч). На всех контрольных циклах и при провер ке данного способа батарею заряжали током 3,5 А и разряжали током Ю А. Контроль уровней заряженности и различий между ними осуществлялся по величине напряжения на каждом аккумуляторе. Нивелирование уровней заряженности путем поочередного подключения ЗИП - аккумулятора производилось на заряде - с момента достиже нйя первым аккумулятором напряжения 1,58 в (О/Оф 4:0,95) , а на разряде 1,05 В (,1), Наперед заданные различия в уровнях заряженности аккумуляторов ( (Г и б на фиг, 1 и 2) , по которым оценивалась необходимость подключения и отключения ЗИП - аккумулятора, определялись по величинеразличия напряжений аккумуляторов и принимались равными 0,15 В и 0,05 В соответственно Причем различия в напряжениях аккумуляторов, по которым оценивалась необходимость отключения ЗИП - аккумулятора, определя-.; лись путем периодического измерения разности напряжений при кратковременНОМ отключении ЗИП-аккумулятора (нивелируемый и остальные аккумуляторы ставились в одинаковые условия), При проверке эт-ого способа заряд батареи прекратили при появлении первого сигнала от датчиков давления (индикаторовконца заряда, встроенных в каждый аккумулятор АБ), а разряд - при достиЖении на одном аккумуляторе напряжений 0,85 В. В результа: е проведенного зарядно-рдзрядного цикла с применением изложенных вьпяе операций нивелирования как на заряде, так и на разряде, разрядная емкость батареи Ьоставил. 30,9 А.ч, а дуельная энергия 22,6 Вт.ч/кг, Из результатов проверки следует, что предложенный способ эксплуатации АБ позволяет увеличить () энергетические удельные характеристики батарей по сравнению с известным способом, где нивелирование производится на одном уровне заряженности аккумуляторов. Формула изобретения 1., Способ эксплуатации аккумуляторной батареи, например никель-кадмиевой, преимущественно длительно работающей в циклическом режиме, включающий нивелирование уровней заряжённости аккумуляторов, отличающийся тем, что, с целью повышения удельных энергетических характеристик и увеличения срока службы батареи, операцию нивелирования производят как на заряде, так и на разряде батареи путем поочередного выборочного подключения накопителя электроэнергии определенной емкости к аккумуляторам с различающимися уровнями заряженности, которые контролируют в процессе циклирования батареи. 2, Способ по п, 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве очередного с1ккумулятора, к которому под ключают накопитель, выбирают на разряде батареи аккумулятор, имеющий наименьший, а на заряде - наибольший уровень заряженности 11 3. Способ по п, 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что емкость накопителя определяют из условия . где Q - Фактическай емкость i-ro аккумулятора; Q, - наибольшая из Q: фактическая емкость; - количество аккумуляторов в батарее; 4,Способ по пп. .1 и 2, о т л и.чающийс я тем, что накопител подключают- и отключают соответствён но при достижении наперед заданных различий в уровнях з аряженности аккумуляторов батареи. 5.Способ по пп, 1, 2, 4, о т л и ч а ю щ, и и с я тем, что нивелирование производят с момента достижения лю&1м аккумулятором установ ленного уровня заряженности, например близкого к предельно допустимому. 8 6, Способ по пп. 1 и 3, от л ич ающИ и с я тем, что в качестве накопителя электроэнергии используют аккумулятор такой же электрохимической системл, как и аккумулято|ры батареи. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США 3794905,кл.320-20, 1974. 2. Патент США 3541422,кл.320-29, 1974. 3. Патент США № 3911350,кл.320-32, 1976. 4, Патент США № 3997830,кл. 320-5, 1976. 5, Вайлов А. М. и др. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М., Связь, 1975, с. 9, 10. б. Цэнтер Б. И. О применении химотронных устройств в средствах упавления и контроля химических источников тока. Вып. 10. Л. Энерия , 1975, с. 187-188.