Способ заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК H02J7/10 H01M10/44 

I

Изобретение относится к электро(Технике, в частности к способам и устройствам для заряда герметичных аккумуляторов.

Известен способ заряда аккумуляторных батарей, при котором после фазы интенсивного заряда постоянной величиной тока при достижении определенного напряжения батареи продолжают заряд импульсным током. Во время второй фазы заряда, когда превышается указанная величина напряжения, аккумулятор выдерживают определенное время, после чего осуществляют заряд импульсным током 1 .

Недостатками указанного способа являются невозможность его применения для заряда некоторых типов аккумуляторных батарей (например, герметичных) из-за большой величины тока в конце заряда,что приводит к преждевременному повреждению аккумуляторов, а также необходимость отключения батареи на некоторое время пои

превышении определенной величины напряжения, в результате чего увеличивается время заряда батареи.

Известен также способ .заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале заряд производят сильным током до заданного напряжения, а затем батарею заряжают неизменными по уровню импульсами тока, и, таким обра-, зом, осуществляют дозаряд в течение .

10 заданного времени, по истечении которого импульс заряда отключают, ев паузах измеряют напряжение покоя и сравнивают с эталонным напряжением, импульсный Заряд прекращают при до15стижении в период установленного времени напряжения покоя батареи величины, не ниже эталонного напряжения С2}.

Недостатком данного способа явля20ется необходимость отключения батареи от зарядного устройства в конце заряда. Кроме того, осуществляется контроль по шести параметрам:, по на пряжению, до которого проводится заряд большим током, по неизменной величине импульсного тока, по длитель нОсти импульса тока, по длительности паузы, по длительности измерения напряжения покоя и по неизменной величине эталонного напряжения. Неизменная величина импульсов тока и их длительность в зависимости от физи-. ческого состояния аккумуляторной батареи может привести при заряде к повышенному выделению газа и, вследствие этого, к сокращению срока служ бы аккумуляторов, особенно герметичных. Известен также способ заряда акку муляторной батареи, который включает фазу быстрого заряда, во время которой напряжение батареи возрастает до величины, обеспечивающей закипание электролита, и медленную фазу on ределенной длительности. Кроме того, процесс заряда содержит промежуточну фазу, а течение которой происходит изменение тока от уровня, обеспечивающего быстрый заряд до уровня тока медленного заряда. Длительность промежуточного этапа определяется двумя величинами напряжения, соответствующими указанным плотностям тока заряда D1 Недостатком указанного способа яв ляется невозможность осуществления быстрого и полного заряда аккумуляторов без отключения их от зарядного устройства в конце заряда. Если же устройство вовремя не отключить, то .аккумуляторы, особенно герметичные, выйдут из строя. Наиболее близким к предлагаемому является способ заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале батарея заряжается номинальным зарядным током до достижения определенного значения напряжения на каждом эле менте, после чего заряд осуществляют при постоянном напряжении вплоть до флотирующего режима С ЗИзвестно устройство для авто атического заряда аккумуляторной батареи, обеспечивающее получение нескольких режимов заряда. В первом режиме батарея заряжается выпрямленным неизменным током. Когда напряжение на зажимах аккумуляторной батареи доходит до величины, составляющей определенную часть напряжения полного заряда, схема переводится во второй режим заряда,характеризуемый . 4 уменьшенным током и скоростью заряда. В третьем режиме, которой обеспечивается схемой, по достижении напряжения на зажимах батареи определенного промежуточного значения, заряд осуществляется нестабилизированным выпрямленным током до получения на зажимах батареи максимального на- пряжения. Далее схема переводится в четвертый режим дозовото подзаряда батареи ограниченным током 5. Однако устройство имеет сложное схемное решение и осуществляет переключение с режима на .режим в процессе заряда только в зависимости от уровня напряжения на зажимах аккумуляторной батареи, что не всегда обеспечивает сохранность аккумуляторов. Известно устройство, обеспечивающее быстрый заряд аккумуляторных ба- тарей, содержащее источник постоянного тока, с которым батарея связана через первый выключатель, регулятор тока и второй выключатель, термостабилизированный датчик, связанный со вторым выключателем и реагирующий на напряжение батареи в процессе заряда, нагрузку, связаннуюс аккумуляторной батареей через третий выключатель, датчик тока и датчик напряжения нагрузки, термостабилизированные чувствительным элементом, схему, которая управляет датчиком, вторым и третьим выключателями и содержит полупроводниковые стабилитроны, тиристор, электромагнитные реле, хронирующую RC-цепь Сб }. Аккумуляторная батарея заряжается большим током до определенного со- стояния, отключается от источника постоянного тока и затем заряжается через нагрузку большим током в течение короткого времени. Состояние батареи определяется конечным напряжением в процессе заряда, внутренним давлением или температурой батареи. Эти параметры связаны между собой и зависят от температуры окружающей среды. Данное устройство требует оЪределенных условий (например, температура окружающей среды), при которых производится заряд аккумуляторной батареи, для того, чтобы осуществить полный заряд и обеспечить сохранность аккумуляторов. Кроме тогр, наличие электромагнитных реле и большого количества :элементов снижает надежность работы схемы. на зарядного тока перестанет достигать уровня 3-. При этом напряжение заряда останется на нижнем стабилизированном уровне и процесс переходит в фазу подзаряда низким стабилизированным напряжением. В этой фазе батарея может оставаться в подключенном состоянии продолжительное вре мя. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит регулирую1, последовательно с щии транзистор ним включенный в зарядную цепь резистор 2, транзистор 3 и тразистор А резистор 5 и параллельно ему подключенную цепочку 6 из диода 7, зашунтированного конденсатором 8 и резистором 9, стоящие в цепи коллектора транзистора 3, источник 10 опорного напряжения, подключенный параллельно источнику 11 питания и содержащий последовательно соединенные ре зисторы 12 и 13, стабилитрон Т и кремниевый диод 15, диоды 1б и 17, связывающие источник 10 опорного напряжения с коллектором транзистора 1 и с цепочкой 6, диоды 18 и 19, связывающие эмиттер транзистора 4 с коллектором транзистора 1, цепочку 20, шунтирующую аккумуляторную батарею 21 и содержащую последовательно соединенные диод 22 и резистор 23, общая точка которых подключена к эмиттеру транзистора k, Устройство.работает следующим образом. При подаче напряжения от источника 1 1 питания, транзисторы k, 3 и 1 открываются, и по зарядной цепи начинает протекать ток. Если аккумуляторная батарея разряжена, то зарядный ток ограничивается с помощью резистора 2 и диодов 18 и 19, через которые на эмиттер транзистора k поступает положительный потенциал. Степень ограничения зарядного тока зависит от величины сопротивления резистора 2. По мере заряда, напряжение на аккумуляторной батарее 21 повышается и достигает уровня U.f, обусловленного величиной опорного напряжения на базе транзистора , которое стаби лизировано с помощью стабилитрона 1 и кремниевого диода 15. Дальнейший заряд производится при постоянном урювне этого напряжения. Во время заряда батареи постоянны напряжением ток заряда снижается. Сн О10 жение зарядного тока вызывается все большим запиранием транзисторов , 3 и 1. При запирании транзистора 3 положительное напряжение на его коллекторе уменьшается и в некоторый момент времени, когда ток заряда снизится до уровня и (0,5-0,7) 7х( этого напряжения становится недоста-. точно, чтобы полностью запереть германиевый диод 17, который начинает пропускать ток. Таким образом, кремниевый диод 15 с этого момента времени начинает шунтироваться германиевым диодом 17 и последовательно с ним включенным низкоомным резистором 9. Так как падение напряжения в прямом направлении у германиевого диода значительно ниже, чем у кремниевого, то при открывании германиевого диода 17 напряжение на базе транзистора k уменьшается. Это приводит к еще большему запиранию транзистора 3 и открытию германиевого 17, т.е. процесс снижения напряжения на базе транзистора происходит лавинообразно. На входе устройства напряжение заряда устанавливается на более низком уровне (i, Е. Напряжение на аккумуляторном батарее не может мгновенно снизиться, поэто му в первый момент после переключения на нижний уровень напряжения заряда и транзисторы t, 3 и 1 полностью запираются, а через аккумуляторную батарею 21 протекает ток подзаряда, численно равный 1-2 от номинальной емкости, по цепи: источник 11 питания, резистор 12, диод 1б, резистор 2, аккумуляторная батарея 21 . Затем напряжение на 6jaTapee 21 снижается до уровня U. Если батарея не полностью заряжена, то транзисторы 4, 3 и 1 частично открываются, и по зарядной цепи начинает протекать ток. При открываНИИ транзистора 3 на его коллекторе начинает вновь возрастать положительный потенциал, который через конденсатор 8 прикладывается к диоду 17 и частично его запирает. Это приведет . к повышению напряжения на базе транзистора k, к еще большему повышению j тока и, в конечном итоге, к переходу на заряд при более высоком уровне напряжения. Затем ток заряда начинает снижаться, снова произойдет открывание германиевого диода 17, и процесс повторяется. Таким образом, дозаряд аккумуляторной батареи производится изменяющимся по величине током, максимальное значение которого определяется верхним уровнем зарядно го напряжения, а минимальное - нижним уровнем. Частота переключения с верхнего уровня напряжения и наоборот, а также длительность работы на каждом из этих уровней зависит от степени заряженности аккумуляторной батареи. Так, в начальный период дозаряда, когда батарея заряжена не полностью, при заряде на верхнем уровне напряжения ток снижается медленно из-за медленного нарастания напряжения поляризации, и длительность заряда на верхнем уровне доста точно велика, а при переключении на нижний уровень напряжения ток заряда быстро возрастает, и длительность заряда на нижнем уровне мала. В конце заряда, когда батарея почти полностью заряжена, длительность заряда на верхнем уровне напряжения мала, а на нижнем уровне велика. Такой режим дозаряда продолжается до тех пор, по ка батарея полностью не зарядится и ток при нижнем уровне напряжения заряда не станет равным (0,1-0,2) Q, не опасным для аккумуляторов. В этом случае переключение с нижнего уровня напряжения заряда на верхний прекращается, и устройство переходит на режим подзаряда при одном нижнем уровне напряжения. Нижний уровень опорного напряжени можно регулировать в некоторых пределах с помощью резистора 13. При изменении сопротивления резистора 13 изменяется ток, протекающий через стабилитрон 14, германиевый диод 17 и резистор 9, а следовательно, будет изменяться напряжение, снимаемое с этих элементов. Величина тока 2, при котором производится I переключение, с верхнего уровня напряжения заряда на нижний, устанавливается с помощью резистора 5. Диод 16 в схеме устройства выполняет несколько функций. Во-первых, исключает влияние колебаний напряжения источника 11 питания на источник 10 опорного напряжения и тем самым улучшает точность стабилизации. Вовторых, служит для защиты устройства при коротком ;замыкании в цепи нагрузки. В-третьих, через него осуществляется положительная обратная связь, когда устройство работает в режиме переключения с одного уровня О . 12 зарядного напряжения на другой. 8четвертых, совместно с резистором 12 образует шунтирующую транзистор 1 цепочку, через которую протекает дополнительный зарядный ток, благодаря которому прекращается колебательный процесс дозаряда, и устройство переходит в режим подзаряда. При м /е р. Испытание герметичных батарей;, ЗНКГ-10Д шахтных головных светильников, В начальный период осуществляют стабилизацию зарядного тока на уровне Ц А, далее заряд производят со стабилизацией напряжения ла верхнем уровне 4,б5 В, а на нижнем 4,38 В. Переход на режим релейного переключения производят при снижении тока до 3 А, а режим подзаряда устанавли8ЭЮТ при токе 0,25 А. Заряд продолжают до тех пор, пока не прекратится режим релейного переключения, и не установится ток под- . заряда, равный 0,15 А. Полное время заряда 6,0 ч. В режиме подзаряда батарея остается подключенной к зарядному устройству в течение 72,0 ч и не выходит из строя. Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют сократить время заряда батарей в 2,3 раза, по сравнению с известными., при обеспечении полного заряда батарей. Срок службы аккумуляторных батарей увеличивается в 2 раза за счет исключения преждевременного выхода аккумуляторов из строя. Формула изобретения 1. Способ заряда аккумуляторной батареи, включающий заряд постояннным током, последующий подзаряд при постоянном напряжении и дозаряд малым по величине током, отличающийся тем, что, с целью осуществления быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службы батареи, заряд постоянным током, численно равным kO-70% от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, производят до сообщения батарее 60-70 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при постоянном напряжении на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 перво5Известно также зарядное устройство, содержащее цепь постоянного тока для подачи первоначального неизменного зарядного тока к аккумуляторной батарее от источника переменного тока, два датчика напряжения-на выводах батареи, вентиль, соединенный с датчиками напряжения и предназначенный для управления синхронным переключателем, включенным со стороны ис точника переменного тока в цепь постоянного тока, управляющую цепь, со диненную с одним из датчиков напряже ния, и времязадающуо цепь, соединенную с вентилем для управления длител . ностью каждого рабочего периода. В первый период аккумуляторная ба тарея заряжается неизменным по величине постоянным током. Когда напряже ние на выводах батареи достигнет определенного уровня, начинается второй период заряда батареи прерывистым то ком. Длительность подачи зарядного тока определяется времязадающей.цепь а длительность паузы между токовыми импульсами - вторым уровнем напряжения на выводах батареи, который ниже первого уровня f 7 ЗНедостатком устройства является то, что длительность подачи импульса зарядного тока зависит от времязадающей цепи и не зависит от физического состояния аккумуляторной батареи, что может привести к преждевреценному выходу из строя, например, герметичных, аккумуляторов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к одному из зажимов нестабилизированного источника питания по стоянного тока, а коллектором - к по ложительному выводу батареи, второй транзистор, который связан с базой регулирующего транзистора и со вторы зажимом источника питания через сопротивление в эмиттерной цепи, две параллельные цепи, подключенные к вы водам аккумуляторной батареи, из которых первая цепь формирует опорное напряжение на базе второго транзистора с помощью стабилитрона, а вторая цепь представляет собой делитель напряжения на резисторах, средняя точка которого связана с базой треть его транзистора. Коллектор третьего транзистора через резистор подключен к эмиттеру второго транзистора, а эмуттер через стабилитрон связан с O положительным выводом аккумуляторной батареи. Устройство осуществляет заряд аккумуляторной батареи при неизменном зарядном напряжении foj. Недостатки известного устройства - невозможность осуществления быстрого и полного заряда аккумуляторной батареи без выхода из строя аккумуляторов (например, герметичных), так как устройство осуществляет один режим заряда, а также отсутствие схемы ограничения тока в начальной стадии заряда, что может привести к сокращению срока службы аккумуляторов. Цель изобретения - осуществление . быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службы батареи. Поставленная цель достигается тем, что сначала батарею заряжают постоянным током, численно равным 0-70 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, до сообщения ей 60-70 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при стабилизации напряжения на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряженя, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним -уровень, при котором ток подзаряда полностью заряженной батареи составляет -2% от номинальной емкости; .причём, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения уменьшится дб 0,5-0,7 первоначального значения, производят переключение на заряд при нижнем уровне напряжения, а если ток при нижнем уровне напряжения возрастет до 1-2 от номинальной емкости батареи, производят переключение н.а Заряд при верхнем уровне напряжения, затем осуществляют по заряд малым по величине постоянным током. В устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором - к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку, шунтирующую аккумуляторную батарею, и третий транзистор, дополнительно включен резистор между коллектором

регулирующего транзистора и положиельным выводом батареи, источник порного напряжения параллельно подхлючен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных вух резисторов, стабилитрона и кремниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шине, при этом общая точка резисторов связана через согласно включенный- диод коллектором регулирующего транзисора, а общаяточка одного резистора и стабилитрона соединена с базой второго транзистора, цепочка, шунирующая батарею, выполнена из согласно подключенного к ее положительному выводу диода и резистора, общая

точка которых соединена с эмиттером второго транзистора и через.два последовательных диода - с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базе регулирующего транзистора, базой к коллектору второго транзистора,, а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирующую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтированного конденсатором, и резистора, общая точка которых через встречно включенный германиевый диод связана с общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного напряжения.

На фиг. 1 представлены графики зависимости зарядного тока и напряжения от времени; на ,фиг. 2 - предлагаемое устройство, схема. . . Способ заключается в следующем. Сначала заряд производится постоянным током 3 (фиг. 1), численно равным 0-70 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи. Такой ток не опасен для незаряженной батареи, йо в то же время примерно в -7 раз превышает величину, рекомендуемую для полного заряда батарей постоянным стабилизированным током. Поэтому заряд батареи на данном начальном этапе протекает ускоренно. Однако его можно применять только до степени заряженности батареи, не превышающей 60-70 полной зарядной емкости батареи, так как в противном случае возможно выделение газа.После достижения 60-70% необходимой заряд.ной емкости проводят заряд при ста86UO8

билизированном напряжении, достигнутом к концу заряда постоянным током. Этот заряд продолжается до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7

5 своего первоначального значения.

Уменьшение величины тока на этом этапе предотвращает преждевременное начало газовыделения. Когда зарядный ток снизится до значения Л/. (

10 0,7), дальнейший заряд производят при стабилизации нижнего уровня напряжения и, гарантирующего отсутствие газовыделения и тем самым обеспечивающего сохранность аккумуляторов

ts при длительном заряде. Нижний уровень напряжения Uj выбирается таким, чтобы ток заряда при этом напряжении численно составлял 1-2 от номинальной разрядной емкости батареи. 20 момент переключения с верхнего , уровня на нижний из-за наличия ЭДС поляризации зарядный ток падает почти до нуля, а затем начинает нарас- тать. Если он достигнет уровня J

25 1-2 от номинальной емкости, напряжение заряда вновь переключается на верхний уровень U. При этом зарядный ток увеличивается скачком, но под действием возрастающей ЭДС полязи ризации вновь снижается до тех пор, пока не достигнет уровня U. Затем идет переключение на напряжение и2Г и процесс повторяется. Таким образом, производится дозаряд аккумуляторной батареи при релейном переключении двух уровней зарядного напряжения.

Длительность импульсов и пауз между ними в процессе дозаряда. зависит от степени заряженности батареи. В первый момент перехода на релейный .режим батарея еще не заряжена полностью, поэтому при переключении на более высокий уровень напряжения ЭДС поляризации нарастает медленно. Соответственно медленно снижается зарядный ток, и длительность импульса тока окажется большой. При переключении на заряд более низким напряже- , нйем ЭДС по.ияризации спадает быстро и пауза между импульсами будет короткой. к концу заряда картина меняет- ся. Нарастайие ЭДС поляризации происходит быстро, а спадание - медленно,- Поэтому длительность импульса тока снановится малой, а паузы - боль55 шой.

Заряд в режиме релейного переключения прекратится тогда, когда при нижнем уровне напряжения U величи13начального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряжения, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним - уровень, при котором ток подзаряда полностью заряженно11 батареи составляет 1-2 от номинальной емкости, причем, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, производят перключение на заряд при нижнем уровне напряжения а если ток при нижнем уровне напряже ния возрастет до 1-2% от номинальной емкости батареи, производят переключение на заряд при верхнем уров не напряжения. 2. Устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором - . к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку шунтирующую аккумуляторную батарею, и третий транзистор, отличающееся тем, что, между коллектором регулирующего транзистора и положительным выводом батареи дополнительно включен резистор, источник опорного напряжения параллельно подключен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных двух резисторов, стабилитрона и крем ниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шине, пр этом общая точка резисторов связана через согласно включенный диод с кол лектором регулирующего транзистора, а общая точка одного резистора и ста билитрона соединена с базой второго . 1/, транзистора, цепочка, шунтирующая батарею, выполнена из .согласно под-. ключенного к ее положительному вводу диода и резистора, общая точка которых соединена с эмиттером второго транзистора и через два последовательных диода - с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базе регулирующего транзистора, базой - к коллектору второго транзистора, а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирующую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтирован-. ного конденсатором, и резистора, общая точка которых через встречно включенный германиевый диод связана с общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка Франции № 2256552, кл. Н 01 М Q/kk, 1975. 2.Патент СССР № 5280 7, кл. Н 01 М , 197. 3.Заявка Франции № 2239772, кл. Н 01 М Q/kk, 1975. k, Zehwilhelm. Das Laden von Akkumulatoren-Batterien mit konstanter Spannung. Elektrotechnilf.Z.. 1966, 8. 18, № 20, 771-773. 5.Патент США № Зб783бЗ, кл. Н 02 J 7/10, 1972. 6.Патент Великобритании ff 121932, кл. Н 02 J 7/10, 1-971. 7.Патент США № , кл. Н 02 J , 1976. 8.Заявка Японии № 5.0-2252, кл. Н 02 J 7/04. 1975.

и,

Ut

Л

li

1

П

г

Фие.1