Способ заряда батареи никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов Советский патент 1980 года по МПК H01M10/44 

1

Изобретение относится к области .электротехники, в частности к способам заряда батареи кадмий-никелевых герметичных аккумуляторов с комбинированным блоком электродов(КНГК)и дополнительным кислородным электродом.

Широкое распространение в промышленности, в автономных источниках питания нашли аккумуляторные батареи на основе герметичных кадмий-никелевых аккумуляторов с комбинированнь1м блоком электродов(КНГК).обладающие более высокими удельными электрическими характеристиками по сравнению с кадмий-никелевыми герметичными (КНГ) аккумуляторами.

Обычно, с целью снижения давления в герметичном аккумуляторе, в нем размещается дополнительный электрод из активированного угля, замкнутый накоротко с отрицательным электродом. Таким образом, внутри аккумулятора образуется коротко-замкнутая гальваническая пара уголь-кадмий, работгиощая за счет поглощения кислорода из газовой фазы углем и электрического окисления кадмия. Указанный процесс протекает со значительной скоростью и резко снижает давление, развивающееся при заряде внутри герметичного аккумулятора.

Известные способы заряда применительно к аккуг/гуляторным батареям это5 го типа не обеспечивают высоких емкостных характеристик при длительной эксплуатации в буферном режиме.

Известен способ заряда герметичных аккумуляторов по конечному давлению внутри аккумулятора l.

Однако использование упомянутого способа для заряда аккумуляторов КНГК при интенсивном циклировании приводит к наличию постоянного кислородного давления в аккумуляторах Наличие этого давления ведет к возникновению неравномерности и заряженности отдельных участков электродов, что связано с технической невозможностью обеспечения равномерной скорости процесса поглощения по всей поверхности плас.тин. Неравномерность уровня заряженности различных участков исключает возможность полного

25 заряда электрода, ведет к росту внутреннего сопротивления и потере емкости в процессе эксплуатации.

Известен способ автоматического заряда герметичных никель-кадмиевых

30 аккумуляторов по заданному конечному

напряжению/ контролируемому термозависимым датчиком напряжения, который обеспечивает заряд при отсутствии кислорода в газовой фазеС2.

Однако, как показали результаты эксплуатации батареи по этому способу, длителный недозаряд приводит к росту внутреннего сопротивления аккумуляторов и, как следствие, к снижению емкости. В связи с этим способ заряда усовершенствован, С целью увеличения срока службы и повьпиения емкости аккумулятора КНГ ему после срабатывания датчика предельного напряжения сообщают дополнительную емкость р. Переход на заряд дополнительной емкостью производят после снижения емкости до 50-60% от номинальной. Однако применительно к аккумуляторам КНГК сообщение дополнительной емкости приводит к возникновению в аккумуляторах постоянного кислородного давления. Наличие этого давления связано с возникновением неравномерности в заряжениости отдельных участков электродов и, следовательно, невозможностью обеспечения равномерной скорости поглощения кислорода по всей поверхности пластин, что, в свою очередь, исключает возможность полного заряда электрода и ведет к росту внутреннего сопротивления, к потере емкости в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является повышение емкости батарей на базе аккумуляторов КНГК при длительной эксплуатации в буферном режиме. Поставленная цель достигается тем, что заряд батареи КНГК производят последовательностью поямоугольных импульсов напряжений частотой 1-12 кГц, а амплитудой и длительностью соответствующих среднему зарядному току 0,10,15 от номинальной емкости, при достижении напряжения батареи, соответствугощего в среднем 1,43-1,45 В на каждый аккумулятор, и заряду батареи на величину номинальной емкости производят дополнительный заряд последовательностью импульсов, соответствующих среднему току 0,003-0,009 от номинальной емкости батареи.

На фиг. 1 представлена зарядная характеристика аккумулятора; на фиг 2,а,б - соответственно блок-схема устройства для реализации способа и его характеристика.

Экспериментально доказано, что при заряде батареи из КНГК аккумуляторов токами до 0,15 от номинальной емкости при нормальных температурных условиях кислорода газовыделение отсутствует вплоть до сообщения аккумулятору 100% номинальной емкости. При этом зарядное .напряжение аккумуляторов не превьш- Рет 1,43-1,45 В. Превышение этого напряжения связано с началом газовьщеления.

Чтобы избежать зтого,предлагается проводить заряд последовательностью прямоугольных импульсов напряжения постоянной амплитуды с периодом следования Т, Начальная длительность импульсов(или скважность)выбирается таким образом, что при напряжении аккумуляторов в батарее в среднем меньшем 1,43-1,45 В средний ток заряа не lipeBbnuaeT 0,15 от номинальной емкости. Под средней величиной зарядного тока понимается среднее за период следования импульсов Т значение зарядного тока.

При приближении напряжения аккуулятора к значению 1,43-1,45 В, что соответствует сообщению ему практически номинальной емкости, длительность зарядных импульсов начинает сокраща- ться(увеличивается скважность импульсов), при этом уменьшается средняя величина зарядного тока. При достижении напряжением аккумуляторов величины 1,43-1,45 В длительность зарядных импульсов устанавливается такой величины, что дополнительная емкость аккумулятору(более 100% )сообщается импульсами меньшей длительности, соответствующими среднему зарядному току 0,003-0,009 от номинальной емкости.

В этом случае в течение зарядного импульса напряжение аккумулятора может превышать установленные 1,431,45 В и, как следствие, в аккумуляfrope будет иметь место кислородное газовыделение. Однако благодаря тому, что вслед за зарядным импульсом следует интервал времени, в течение которого заряд не производится, на дополнительном кислородном электроде происходит интенсивное газопоглощение .

При длительности зарядных импульсов, соответствующих среднему току 0,003-0,009 достигается динамическое равновесие между скоростью поглощения кислорода на дополнительном кислородном электроде и объемом кислорода, выделенного во время зарядного импульса. Экспериментально установлено, что оптимальные условия для возникновения динамического равновесия без существенного увеличения времени заряда соответствуют частоте следования импульсов 1-12 кГц.

Принципиальное отличие предлагаеого способа от известных заключается в том, что он позволяет эксплуатировать батареи из КНГК аккумуляторов при максимальном уровне заряженности при отсутствии постоянного кислородного давления.

Это позволяет значительно повысите емкость герметичных аккумуляторюв при длительном сроке службы(2-3 года) ,

Описанный способ заряда батареи из КНГК аккумуляторов последовательностью прямоугольных импульсов с регулируемой в зависимости от напряжения батареи сквс1жност8Йо импульсов реализуется транзисторным преобразователем - стабилизатором постоянного напряжения вольтодобавочного типа с двумя обратными связями по управлению: току заряда и напряжению батареи (см.фиг.2,а).

В данном преобразователе часть зарядной мощности поступает непосредственно от источника входного напряжения. Добавочная мощность поступает от транзисторного преобразователя и регулируется схемой широтноимпульсной модуляции, состоящей из задающего 1 и ведомого 2 генераторов На выходе усилителя мощности 3 действует биполярное напряжение с интервалом между полупериодами, которое после выпрямителя 4 имеет вид последовательности прямоугольных импульсов с периодом Т. Скважность импульсов определяется суммарным сопротивлением делителя 5 обратной связи, которое зависит от сигналов обратных связей по току и напряжению батарей.

На первом этапе заряда, когда напряжение батареи меньше 1,,4 3-1, 45 В (из расчета на один аккумулятор)сопротивление делителя обратной связи определяется топько обратной связью по току заряда. При этом длительность (или скважность) импульсов устанавливается такой величины, чтобы средний ток заряда не превышал 0,15 . При приближении напряжения батареи к 1,43-1,45 В на сопротивление делителя связи начинает оказывать влияние обратная связь по напряжению батареи. При это скважность импульсов устанавливается постепенно (по мере приближения к установленной величине напряжения батареи) такой величины, -чтобы средний ток заряда не превышал 0,0030,009 СномНа фиг. 2,6 представлена практическая характеристика преобразователя, реализованного по блок-схеме на фиг, 2,а, при заряде батареи 23КНГК-90СА (частота следования импульсов 10 кГц амплитуда импульсов 37,5 В)

На фиг. 1 приведена зарядная характеристика Т аккумулятора КНГК-90С при нормальных температурных условия и гладком токе заряда 10А. Под зарядной кривой в координатах емкость-давление размещены кривые роста давлени внутри аккумуляторов в случае заряда постоянным током II и импульсным током I 1 I реализованным преобразователем с двумя обратными связями по ток и напряжению(фиг.2,а).

Серия импульсов зарядного тока IV иллюстрирует изменение длительности ямпульсов в зависимости от напряжения аккумулятора с целью получения

.динамического равновесия между процессами газовыделения и газопоглощения .

Сревнительные экспериментальные данные по эффективности заряда предлагаемым способом и зарядом постоянным током по конечному давлению показали, что эффективные емкости аккумуляторов при разряде одинаковы, однако разрядная емкость, полученная

0 от аккумуляторов, заряженных по новому способу не связана с наличием в аккумуляторах кислородного давления. С учетом этого предлагаемый способ заряда обеспечивает длительную эксп5луатацию аккумуляторов КИГК с сохранением разрядной емкости на высоком уровне.

Использование предлагаемого способа заряда аккумуляторных батарей

0 на основе аккумуляторов КНГК обеспечивает отсутствие кислорода в газовой фазе при уровнях заряженности, соответствующих заряду по конечному давлению, высокое значение разрядной емкости на всем протяжении эксплуата5ции батареи, увеличение срока эксплуатации, расширение области применения аккумуляторов КНГК, особенно в автономных источниках питания.

30

Формула изобретения

Способ заряда батареи никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов с

5 дополнительным кислородным электродом, заключающийся в заряде батареи до заданного конечного зарядного напряжения с последующим сообщением батарее дополнительной емкости, от0личающийся тем, что, с целью повышения емкости и срока службы батареи, сначала заряд батереи производят последовательностБЮ прямоугольных импульсов напряжения частотой 1-12 кГц, а амплитудой и длительно5стью, соответствующих величине среднего зарядного тока в пределах 0,10,15 от номинальной емкости батареи, затем при достижении среднего значения напряжения величины 1,43-1,45 В

0 из расчета на каждый аккумулятор,батарее сообщают дополнительную емкость путем заряда ее последовательностью импульсов тока, соответствующих величине среднего зарядного тока в пре5делах 0,003-0,009 от номинальной емкости батареи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

0

1.Авторское свидетельство СССР I 160211, кл. Н 01 М 10/48, 1963.

2.Авторское свидетельство СССР № 260714, кл. Н 01 М 10/44, 1968.

3.Авторское свидетельство СССР 532918, кл. Н 01 М 10/44, 1975.

5

02 46 8 ГО гг 7f je f8 го a гч

(рие. 25 йремк заряда, ч