Способ заряда аккумуляторной батареи Советский патент 1981 года по МПК H01M10/44 

Изобретение относится ко вторичны источникам тока и может быть исполь зовано в отраслях промьплленности, изготавливающих и эксплуатирующих аккумуляторные батареи и аккумулято ры. Известен способ заряда при посто янном напряжении, который является длительным и приводит к. недозаряду батарей открытой конструкции в связи с резким уменьшением тока во второй половине заряда, что снижает разрядную емкость и надежность эксплуатации батарей 1 и 2. В способах, реализующих регулирование зарядного тока по скорости газовыделения, основным недостатком является .повышенный зарядный ток как в начале, так и в конце заряда, что приводит к перегреву батарей, члижению КПД заряда и выплескиванию электролита, что, в свою очередь, снижает надежность эксплуатации и срок их службы (3). Известны способ и система заряда, в которых управление процессом осуществляют по температуре аккумулятора и скорости ее роста. В такой системе ток заряда уменьшают до тех пор, пока не установится тепловое равновесие между аккумулятором и окружающей средой. При этом температура аккумулятора становится близкой к предельно допустимой, а ток остается на сравнительно высоком уровне/ что снижает качество заряда, которое проявляется в интенсивном газовыделении, выплескивании электролита, снижении емкости и срока службы аккумулятора 4. Известен также способ, согласно которому с целью ускорения процесса заряд осуществляют вначале повышенН з1М током, регулируемым в зависимости от заданных значений скорости роста температуры электролита и скорости газовыделения, а прекргицают заряд после получения аккумулятором заданных ампер-часов 5. Регулирование зарядного тока повышенной плотности по скорости роста температуры до установления отношения скорости газовыделения к зарядному току, равного 0,7-0,8, является неэффективным, что обусловлено следующими причинами. Повышение температуры в аккумуляторах, например/ никель-кадмиевых или. никель-железных происходит, в основном, за счет джоулевого тепла, а тепловой эффект

реакций на элект эодах близок к нулю. Рост температуры электролита начинается сразу после включения тока и замедляется .с увеличением разности температур между аккумулято| ом и окружающей средой вследствие повышения :геплового потока в окружающую среду. Для поддержания постоянной скорости роста температуры необходимо увеличивать зарядный ток при наличии теплообмена с окружающей средо или поддерживать его постоянным пои отсутствии теплообмена. Как извес но одновременное действие повышенных плотности тока и температуры приводит к снижению восприимчивости заряда электродами и к повышенному газовыделению. Переход на вторую стадию заряда выбран таким, при котором 70-80% зарядного тока повышенной плотности расходуется на газовыделение, что ведет к быстрому вымыванию активной массы, выплескиванию электролита.

Согласно указанному способу на второй стадий заряда регулирование тока осуществляют по заданной скорости газовыделения, которую изменяют в зависимости от .полученных аккумулятором ампер-часов, а прекращают заряд после получения аккумулятором заданных ампер-часов. Следовательно, реализуется программа изменения заданой скорости газовыделения от полученной емкости, при этом доля зарядного тока, идущего на газовыделение, растет, приближаясь к 100%.Тем не менее, аккумулятору сообщают заданную зарядную емкость. Очевидно, что в заключительной- стадии процесса не учитывают фактическую заряженность аккумулятора, что ведет к излишнему расходованию электроэнергии и бесполезному электролизу электролита. При регулировании зарядного тока по заданным скоростям роста температуры и газовьщеления создаются благоприятные условия для сн-ижения качества заряда и интенсивного газовыделения даже при сравнительно высокой эффективности полезного использования зарядного ток что вызывает высокую степень наполнения пористых электродов и сепарадни выделяющимся газом. Это приводи к подъему уровня электролита и его выплескиванию из аккумулятора, блокированию Поверхности электродов газом, повьошенйю истинной плотности тока и еще большему газовыделению. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому является способ, согласно которому в процессе заряда контролируют состав выделяющегося газа с помощью газоанализатора, определяют соотношение содержащихся в нем кислорода и водорода и при достижении этим соотношением заданного значения, установленного в диапазоне О - 0,5, подают сигнал рассогласования в зарядное устройство и обеспечивают регулирование зарядного тока, поддерживая это соотношение неизменным до полного заряда батареи 6.

Известно, что электрохимические реакции на обоих электродах открытого аккумулятора протекают изолированно (не считая влияния конвекции электролита и поглощения кислорода, растворенного в электролите, отрицательным электродом), не оказывая взаимного влияния на скорости основного и побочного процессов. Последние определяются температурой электролита и заряженностью активных ма-. териалов. При этом токи газовыделения, например, на отрицательных электродах сильно зависят от конструкции и состава их активных материалов. Токи газовыделения существенно зависят также от температуры и величины зарядного тока, и, кроме того, отношение содержания кислорода VQ к содержанию водорода Уц, например, никель-кадмиевого {металлокерамические электроды) и никельжелезного аккумуляторов при их заряде изменяется, -как показывает практика, в пределах от бесконечности до нуля, т.е. в значительно большем диапазоне, чем указано выше. В первой половине заряда указанные соотношения могут принимать как близкие к нулю. Так и во много раз большие значения, что делает невозможным применение известного способа к различным типам аккумуляторов.

Кроме того, известный способ не учитывает раздельного состояния положительнь1х и отрицательных электродов, токов газовыделения на них, что,в свою очередь,ведет к интенсивному газовыделению, выплескиванию электролита, снижает КПД заряда.

В заключительной наиболее ответственной стадии заряда соотношение содержания кислорода и водорода медленно стремится к 0,5, поэтому в этот период оно является малоинформативным параметром управления. Тем не менее, батарее сообщают заданное количество ампер-часов. Очевидно, что в заключительной стадии процесса не учитывают фактическую заряженност аккумулятора и его электродов, что ведет к излишнему расходованию электроэнергии, бесполезному электролизу электролита и снижению срока службы батареи.

Таким образом, известный способ заряда вследствие неэффективности регулирования по соотношению содержания кислорода и водорода приводит к перезаряду аккумуляторов, интенсивному газовыделению, выплескиванию электролита. Это свидетельствует о низком кпд заряда, вызывает вымы вание активной массы из электродов снижение уровня электролита ниже допустимого, быстрое образование К через вымытую активную массу, нахо щуюся между электродами, что обусловливает дополнительный саморазря через внешнюю цепь, образованную борнами и выплеснутым электролитом коррозию батарейных ящиков,.необхо димость в трудовых и материальных затратах по регулярной очистке аккумуляторов и батарей от выплеснуто го электролита после заряда, пониже ные емкостные, характеристики и срок службы батарей, низкий КПД процесса заряда. Цель изобретения - повышение КПД заряда и срока службы батареи. Поставленная цель достигается тем, что в процессе заряда контролируют токи газовыделения кислорода и водорода, сравнивают эти токи меж ду собой и регулируют зарядный ток по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде до тех пор, пока разность между токами газовыделения не изменит знак, после чего регулирование зарядного тока осуществляют по току газовыделения на противоположном электроде. При этом регулирование зарядного то ка осуществляют с коррекцией по мен шему току газовыделения, а заканчивают заряд тогДа,когда разности между зарядным током и Каждым из то ков газовыделения достигнут заданны значений. На чертеже приведена структурная схема системы регулирования зарядного тока. Схема содержит задатчик 1, регулятор 2, зарядное устройство 3, блок 4 измерения токов газовыделения, ло гический блок 5, аккумуляторную батарею- 6. Способ осуществляется следующим образом. С помощью задатчика 1 устанавливают начальное значение зарядного тока в зависимости от исходных параметров аккумуляторной батареи, посту пившей на заряд. В процессе заряда регулятор 2 вырабатывает регулирующее воздействие на зарядное устройство 3, изменяющее величину зарядного тока. Это происходит при изменении токов газовыделения на электро дах, которые измеряют с помощью блока 4, состоящего, например, из вспомогательных газопоглотительных электродов, установленных в самом аккумуляторе или в его газоотводном устройстве, либо включающего расходе мер и газоанализаторы кислорода и водорода. Сигналы об изменении токов газовыдёления кислорода и водорода поступают на вход логического блока 5, который сравнивает их между собой Регулирование зарядного тока осуществляется по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде. Электрический сигнал, пропорциональный этому току, с выхода логического блока 5 поступает на один из входов регулятора 2. Для повышения качества и КПД процесса заряда на обоих электродах коррекция зарядного тока выполняется по сигналу,.соответствующему току газовыделения на противоположном электроде, который поступает на другой Ьход регулятора 2. При изменении знака разности между токами газовыделения логический блок 5 осуществляет соответствующее переключение сигналов у правления, воздействующих на регулятор 2. Одновременно в процессе заряда блока 5 сравнивает зарядный токс токами газовыделения кислорода и водорода. При достижении между током заряда и каждым из токов газовыделения заданных значений разности прекращают заряд. Измерение токов выделения газа на электродах во время заряда и регулирование зарядного тока по этим параметрам -улучшает точность и качество регулирования.Значительно повышает эффективность заряда осуществление коррекции по току выделения газа на противоположном электроде, что позволяет одновременно учитывать интенсивность газовыделения на обоих электродах аккумулятора. В процессе заряда не допускают больших скоростей газовыделения на каждом из электродов. Как известно, интенсивность газовыделения на различных электродах растет неодинаково, что приводит к изменению величин токов газовьщеления. Ограничение скоростей газовыделения достигается путем измерения токов газовыделения на положительных и отрицательных электродах, сравнения этих-токов, нахождения большего из них по изменению знака их разности и регулирования по большему току газовыделения. Это ослабляет вымывание активной массы, выплескивание электролита, повышает качество и КПД заряда и срок службы аккумуляторных батарей. Одной из основных задач в процессе заряда является выбор признаков и определение конца заряда. Осуществение заряда до сообщения заданной мкости ведет к перезаряду аккумуляора, излишнему газовыделению. Наиолее объективным и достоверным ризнаком окончания полезного проесса на электроде является достижеие током газовыделения величины. лизкой или равной величине зарядого тока. Окончание заряда при досижении токами газовыделения на отельных электродах заданных значений беспечивает требуемую заряженность

аккумулятора,исключает,перезаряд,а следовательно,снижает до минимума вымывание активной массн и потребность в доливке электролита и повышает срок службы аккумуляторной батареи.

Пример. В соответствии с номинальной емкостью никель-кадмиевого

аккумулятора батареи 20 НКБН-25, равной 25 А.ч, степенью заряженности 20% и начальной температурой 26°С устанавливают начальное значение зарядного тока, равное 45 А. Дальнейший режим заряда аккумулятора приведен в таблице.

1,0- 2,4 3,9 4,5 5

О О

О 00 0,2 5 +0,1 +2,4 +3,9+4,3 О

Как видно из данных таблицы, в начальной стадии заряда ток выделения кислорода незначителен (1,0 А) и вызывает уменьшение величины зарядного тока на 2,0 А. Ток выделения водорода.в первой половине заряда отсутствует. По мере заряда ток выделения кислорода растет и : ызывает значительное уменьшение заряд, ного тока. Так, при 80% зарядной емкости TO, 3,9А, а Г 24 А, т.е. зарядный ток снижается на 21,0 А по сравнению с начальным. Дальнейшее повышение заряженности аккумулятора приводит к образованию водорода на кадмиевых электродах и быстрому росту тока его выделения (до этого момента разность () 70и управление зарядным током осущест ляется по log) . При появлении 1ц вводится коррекция по этому току, который вызывает дополнительное снижение величины зарядного тока. Например, при 90% зарядной емкости 1, 0,2 А, 1о2, f А, 1 18 А. При достижении зарядной емкости 98% токи выделения кислорода и водорода становятся равны, а разность loj. Цо 0. При дальнейшем заряде батареи IQ,- и последующее регулирование зарядного тока выполняют по току выделения водорода, а коррек,цию осуществляют по iQiЗаряд заканчивают, когда разНости между зарядным током и каждым из токов газовыделения достигают заданных значений (в рассматриваемом примере не более 0,1 А).

Таким образом, предлагаемый способ заряда аккумуляторной батареи повышает эффективность, точность и

4,1 4,1 4,5

5,5 6,0 4,6 -1,4 -1,9 -0,1

качество регулирования в процессе заряда, снижает вымывание активной массы из электродов, дополнительный саморазряд через внешнюю цейь, образованную борнами и выплеснутым электролитом, коррозию батарейных ящиков и потребность в регулярной очистке аккумуляторов от выплеснутого электролита после заряда и доливке в них электролита, позволяет по объектив,ным параметрам определять окончательные заряда, исключает перезаряд батаРеи.

Предлагаемый способ легко реализовать на стандартных элементах и приборах электроавтоматики, например с помощью электрической унифицированной системы приборов автоматического регулирования Каскад, что не требует больших материальных затрат.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа может быть получен за счет повышения КПД заряда, снижения затрат электроэнергии, сокращения времени на обслуживание аккумуляторных батарей после заряда, повышения надежности эксплуатации и срока службы.

Формула изобретения

Способ заряда аккумуляторной батареи, например, никель-кадмиевой путем регулирования зарядного тока

60 в зависимости от газовыделения и

состава выделяющегося газа, от л ичающийся тем,, что, с целью повышения срока службы батареи и кпд процесса заряда, измеряют токи

65 газовыделения кислорода и водорода.

сравнивают эти токи между собой и регулируют зарядный ток по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде до тех пор, пока разность между токами газовыделения не изменит знак, после чего регулирование осуществляют по току газовыделения на противоположном электроде,при этом регулирование зарядного тока осуществляют с коррекцией по меньшему -току газ.0выделения и заканчивают заряд, когда разности между зарядным током и каждым из токов газовыделения достигнут заданных значений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизу

М., 1978, с. 262.

6 Авторское свидетельство СССР № 657479, кл. Н 01 М 10/44, 1977.