FI66265C - Foerfarande foer laddning av gastaeta ackumulatorer - Google Patents

Description

rr ~.L·-·! r_, KUULUTUSJULKAISU , . _ . _ $&Γφ M 0*) UTLÄGGNI NGSSKRI FT 6 6265 y (51) K«jJ/lM.a.3 H 01 M 10/44 SUO M I—FINLAND (it) ^—p*·*—wmim 772390 (22) -ΑπΛΜηρΛπ 09.08.77 (23) AMnfflM—GlMglMttdag 09.08.77 (41) ΐϋκ |iHliiirtirt—ilMi 02 78

Patentti- ja rah toted hallitut «*

Patent· och rag Itterttyrtton ' ' AwHw adtgtodinuwteipiMcirte 31-05.84 (32)(33)(31) *rr4~*r «*#*— ·*β*φ***« 11.08.76

Saksan L i i ttotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 2636034.9 (71) VARTA Batterle Aktiengesel1schaft, Am Leineufer 51 , 3000 Hannover 21,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (72) Hans-Kurt KÖthe, Kelkheim/Ts., Guntef Strasen, Sprendlingen,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (74) Antti Impola (54) Menetelmä kaasunpitävien akkujen varaamiseksi -Förfarande för laddning av gastäta ackumulatorer

Keksinnön kohteena on menetelmä kaasunpitävien axkujen varaamiseksi kennon lämpötilasta riippuvaisella virralla ennalta määrättyyn varausrajajännitteeseen asti.

Akkujen varaamiseksi tunnetaan ennestään mitä erilaisempia varausmenetelmiä, jolloin varausmenetelmä erikoisesti myös on sovitettu kulloinkin käytettyyn akkurakenteeseen. Niinpä sintratuilla elektrodeilla varustetut kaasunpitävät akut tavallisesti varataan joko vakio-virralla ( I-ominaiskäyrä ) tai pienenevällä virralla (W-oma naiskäyr ä) . Vakiovirta on tällöin yleensä rajoissa 1^...10 x 1^. Pienenevällä virralla varattaessa pienenee virta esim. arvosta 1,‘j I^q arvoon 0,9 I^q. (suureella I^q tarkoitetaan tällöin sitä virranvoimakkuutta, jolla täysin varattu akku normaalllämpötilassa purkautuu 10 tunnissa. A-kun nimelliskapasiteetin ollessa 15 Ah on I ^ näin ollen 1/jA).

Varauksen päättyminen tapahtuu samoin mitä erilaisempien menetelmien mukaan akusta johdettavan yhden tai useamman parametrin perusteella. Niinpä saadaan ohjaus varauksen lopettamiseksi akun jännitteestä, akkujännitteen noususta tai akussa olevien erikoisten apuelektro-dien kautta, tai on akkuun yhdistetty kapasiteettilaskija, tai rajoitetaan varaamista ajallisesti käsin valvottaessa.

Yleisimmin käytetty on varauksen ohjaaminen varausjännitteen perusteella. Tällöin varaaminen tapahtuu varausrajajännitteeseen asti, joka on määrätty siten, että vältetään akun liiallinen kaasukehitys 2 66265 ja tähän liittyvä paineennousu ja liikakuumeneminen. Tämän varausraja-jännitteen on lisäksi aina oltava sen jännitteen alapuolella, jossa kennojen sisässä esiintyy vedyn kehittymistä. Tämä jänniteraja on tavallisesti kaasunpitävien alkalisten nikkeliAadmiumakkujen kohdalla normaalissa huoneenlämmössä hiukan alle 1,6 V/kenno, kun akku on rakenteeltaan prismaattinen ja siinä on sintratut elektrodit.

Akun varautuminen riippuu elektrodeissa olevien muutettavien massojen reaktionopeudesta, jolloin virran suuruus ja kennojen käyttö-lämpötila ovat ratkaisevan tärkeitä.

Huoneenlämmön ollessa noin 20 °C ja kennon lämpötilan ollessa vain hiukan korkeampi voidaan hyviä varaustuloksia saavuttaa varaus-virroilla, jotka ovat rajoissa 'S··*1™* kun käytetään varauskertoimia 1,2...1,4-, jolloin toisin sanoen varausta seuraavan purkauksen aikana saavutetaan kennon nimelliskapasiteetti. Varausajat ovat tällöin rajoissa 7 h, kun varataan virralla 1^, ja 14- h,kun varataan virralla I^jq (varauskerroin 1,4·).

Jos varausvirta huoneenlämmössä suurennetaan huomattavasti yli arvon 1^, niin tulee määrätyissä olosuhteissa edellä mainittu 1,6 V/ kenno suuruinen jänniteraja saavutetuksi ennen kuin nimelliskapasiteetti on saatu varatuksi, joten varaaminen on keskeytettävä ennenaikaisesti, niin että saavutetaan ainoastaan oeavarautuminen, ja akkua tämän jälkeen purettaessa kenno vastaavasti luovuttaa nimelliskapasiteettia vähemmän tehoa.

Lämpötilojen ollessa alle 20 °C suurenee suuruusluokkaa olevilla varausvirroilla kennon jännite sitä nopeammin, mitä alempi lämpötila on. Jänniteraja 1,6 VAenno tulee tällöin esim. -10 °C:ssa saavutetuksi jo silloin, kun on saavutettu vain noin 80 % osittainen varautuminen. Samoilla virranvoimakkuuksilla korkeissa lämpötiloissa, esim. 40 °C:ssa, varattaessa ei noin 1,4-5 V suuruista jännitettä ylitetä siinäkään tapauksessa, että varaamista jatketaan rajattomasti. Näistä syistä tulee mainittuja varausvirtoja käytettäessä -10 °C:ssa varaus keskeytymään, kun varausra ja jännite on hiukan alle 1,6 VAenno, ja +40 °C:ssa, kun varausra ja jännite on pienempi kuin 1,45 VAenno. Näiden molempien kulmapisteiden läpi menevän suoran kaltevuus on -5,75 •mV/aete, joten toisin sanoen poiskytkeytymisjännite laskee lämpötilan noustessa.

Koska korkeissa lämpötiloissa akkujen varausjännitteen nousu varauksen päättyessä on havaittavissa vain epäselvästi, on alennettu varaamisen poiskytkemisjännite taipeen varman poiskytkemisen saavutte- 7 66265 miseksi. Tämä tarkoittaa kuitenkin varmasti, että korkeissa lämpötiloissa varaaminen keskeytetään ennenaikaisesti. Tällöin on akkuiin varattu virtamäärä ympäristön korkeammassa lämpötilassa aina pienempi kuin normaalilämpötilassa.

Tämän lisäksi tulee korkeammalla lämpötila-alueella varattaessa ja varausvirtojen ollessa varaushyötysuhde, vast, varauksen vastaanottokyky (syötetyn varausmäärän suhde sähkökemiallisesti varastoituun varausmäärään) yhä huonommaksi, mikä johtea kennon lämpötilan nousuun yhä edelleen ja täten varauksen vieläkin enemmän ennenaikaiseen poiskytkeytymiseen.

Yleisesti pätee, että pienentynyt varaushyötysuhde ja tähän liittyvä lämpötilan nousu tarkoittaa sähkötehon tuhlausta, minkä lisäksi kennon kestoikä lyhenee. On näin ollen aina pyrittävä optimaaliseen varaushyötysuhteeseen, joka on noin 0,9·

Varaushyötysuhteen huononeminen alle arvon 0,9 tapahtuu aina varauksen loppuvaiheessa. Sen osoituksena on kennon lämpötilan edellä mainittu nousu. Näin ollen tätä lämpötilailmiötä myös voidaan käyttää varauksen ohjaamiseen sovittamalla kennoihin lämpötilan tuntolaitteet, jotka määrätyissä rajalämpötiloissa alentavat varausvirtaa tai katkaisevat sen. Varausvirran alentamisen ansiosta voidaan varausta kylläkin jatkaa edelleen, mutta kokemuksen osoittamalla tavalla vain huonontuneen varaushyötysuhteen kustannuksella ja kennon lämpötilan edelleen noustessa, vaikkakin hitaammin. Edelleen tällä tavoin suoritettu jatkuva varaaminen johtaa kennon kapasiteetin vain osittaiseen hyödyksi-käyttöön. Myöskään sellaiset tunnetut menetelmät, jotka lämpötilan tun-tolaitteiden välityksellä mittaavat kennon lämpötilan muuttumisnopeuden ja vareavat vakiona pysyvällä pikavarausvirralla, kunnes tämä muuttumisnopeus saavuttaa ennalta määrätyn raja-arvon, ja tämän jälkeen katkaisevat varausvirran tai alentavat sitä, eivät ota huomioon kennon tarpeita ja johtavat vain osittaiseen varautumiseen.

Keksinnön tehtävänä on kehittää menetelmä nopeutetun varaamisen suorittamiseksi, joka varaushyötysuhteen pysyessä suurena johtaa akun täydelliseen varautumiseen, ja tällöin laajalla lämpötila-alueella, varsinkin lämpötila-alueella, joka on esim. -10 °C...+45 °C.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaan siten, että varaus-virta kennon lämpötilassa -10 °C vastaa vähintään 20-tuntista varaus-virtaa (C 20-normia) ja että varausvirta kennon lämpötilan noustessa 45 °C:een nousee noin O, 18 A/K:n lämpötilakertoimella ja kennon lämpötilan laskiessa -10°C:een pienenee samalla lämpötilakertoimella.

Λ 66265 Määrätty varausraJajännite, vast, varaamisen poiskytkemisjännite riippuu käytetyn akun rakenteesta. Tämä jännite on tavanomaisesti joka tapauksessa sen jännitteen alapuolella, jossa vedyn kehittymistä voi esiintyä, ja sopivasti alueella noin 1,55 V. On tietenkin myös mahdollista sinänsä tunnetulla tavalla kompensoida varausrajajännite vast, poiskytkemisjännite myös lämpötilan noustessa negatiivista lämpötila-kerrointa käyttämällä.

Käytettäessä keksinnön mukeista menetelmää tapahtuu varaus näin ollen siten, että normaalilämpötilassa määrätään varausvirta, joka soveltuu akun pikavaraamiseen, toisin sanoen virta, joka varaa a-kun noin 3·..5 tunnissa, esim. virta, joka on rajoissa 3*5··*2 I^q. Varauksen keskeyttäminen tapahtuu varausrajajännitteen tunnistamisen perusteella. Keksinnön mukaisessa menetelmässä varausvirta suurenee kennon lämpötilan noustessa ja pienenee kennon lämpötilan laskiessa.

Se määrä, jolla virran on kennon lämpötilan määrätyn nousun takia suurennuttava, saadaan akun ominaiskäyrästöstä ja määrätään kokeellisesti jokaista akkutyyppiä varten.

Keksinnön havainnollistamiseksi viitataan oheisiin piirustuksiin , joissa kuvio 1 esittää akun varausjännitettä varausmäärän funktiona, kuvio 2 esittää semaa käyrästöä, mutta varaus tehtynä korkeammassa lämpötilassa, kuvio 3 esittää varausvirran riippuvuutta lämpötilasta, kuvio 4 esittää varausrajan vaikutusta varausvirtaan, kapasiteettiin ja varausjännitteeseen, kun lämpötila nousee 0°C:sta n. -t 40°C:een, kuvio 3 esittää vastaavia muutoksia, kun lämpötila ensin laskee + 40°C:sta - 5°C:een ja sitten jatkuvasti nousee ja kuvio 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseen soveltuvan varauskojeen lohkokytkentäkaaviosta.

Virtamuutoksen arvon saamiseksi merkitään esim. varausjännitteen kulku akkuun varatun kapasiteetin funktiona eri virranvoimak-kuuksilla ja lämpötilan ollessa vakiona. Kuvio 1 esittää vastaavasti varausjännitettä U^(V) akkuun varatun varausmäärän C funktiona amperi-tunteina sellaiselle kaasunpitävälle alkaliakulle, jossa on sintratut levyelektrodit, ja jonka nimelliskapasiteetti on 15 Ah.

Kapasiteettiarvojen ohella on merkitty kulloinkin saavutettu prosentuaalinen nimelliskapasiteetti (NK). Tämä akku varataan eri vir-ranvoimakkuuksilla i1...i4, esim. 10 A, 3 A, 1,5 A, 0,75 A ja lämpötilan ollessa vakiona -ζΓ = -10°C.

5 66265

Osoittautuu^ että varattaessa poiskytkemisjännitteeseen 1,55 V ja suurella virralla i1 = 10 A, saadaan akkuun varatuksi vain noin 50 % nimelliskapasiteetista, että virralla lj = 1,5 A saadaan varatuksi noin 80 % nimelliskapasiteetista (tämä virta vastaa tavanomaista varauevirtaa I^q)> Ja että tästä arvosta pienennettynä virralla i4 = 0,75 A saadaan varatuksi 110 % nimelllskapasitee-tista.

Kuvio 2 esittää samaa ominaiskäyrästöä tapauksessa, jossa varaus suoritetaan vakiolämpötilassa 40 °C. Osoittautuu, että tavanomaisilla virroilla ei saavuteta poiskytkemisjännitettä edes hyvin kauan varattaessa ja että varattaessa suurennetulla virralla i1 = 10 A ja käytettäessä poiskytkemisjännitettä 1,55 V, saavutetaan noin 120 % nimelliskapasiteetista.

Piirrettäessä samankaltaisia ominaiskäyriä muitakin lämpötiloja varten ja laskettaessa kulloinkin se virranvounakkuus, jolla poitokytkemisjännitteen (UA) ollessa 1,55 V/kenno, saadaan akkuun varatuksi noin 110...noin 120 % nimelliskapasiteetista, niin voidaan näistä arvoista saada varausvirran 1^ (A) riippuvuus lämpötilasta ('fr'), kuten kuviossa 3 on näytetty. Varausvirran tämä riippuvuus lämpötilasta on sitten otettava huomioon varauskojeessa. Varattaessa kaa-sunpitävää sintratuilla levyillä varustettua kennoa, jonka nimellis-kapasiteetti on 15 Ah, saadaan lämpötilakerrom, joka on noin + 0,18 A/aste.

Varattaessa akkua tämän menetelmän perusteella saadaan kuvion 4 näyttämällä tavalla ja lämpötilan noustessa arvosta noin 0 °C ...noin 40 °C, likimain jatkuvasti lämpötilan funktiona nouseva virta i = f (t), ja saavutetaan kapasiteetti, joka on noin 120 % nimelliskapasiteetista, noin 3,5 tunnin pituisen ajan kuluessa. Varaus-jännite osoittaa haluttua jyrkkää nousua varauksen päättyessä.

Kuvio 5 esittää vastaavia käyriä lämpötilan muuttuessa, siten, että se laskee arvosta noin 40 ° C arvoon noin -5 °C ja tämän jälkeen jälleen jatkuvasti nousee. Tässäkin tapauksessa saavutetaan lyhyen, noin 3 tunnin varausajan kuluessa noin 120 % nimellis-kapasiteetista.

Samankaltaisella tavalla muuttuvia käyriä ja samankaltaisia varausmääriä saavutetaan myös siinä tapauksessa, että lämpötila ensin nousee ja sitten jälleen laskee, tai myös akun lämpötilan jatkuvasti laskiessa varattaessa. Näin ollen on mahdollista, siitä huolimatta, että ympäristön lämpötila, vast, kennonlämpötila muuttuu voimakkaasti, suorittaa pikavaraus lyhyessä ajassa ja tämän jälkeen 6 66265 saattaa akku hyvään varauturaistilaan. Tällöin on yllätyksellisesti osoittautunut, että akun parantunut varautuminen korotetussa lämpötilassa voidaan saavuttaa varausvirtaa suurentamalla, vast, alemmassa lämpötilassa varausvirtaa pienentämällä. Keksinnön mukaisen menetelmän ansiosta voidaan akun varaamista jatkaa kiinteään tai nousenvan lämpötilan yhteydessä vain hyvin vähän alenevaan pois-kytketymisjännitteeseen asti. Lisäksi saavutetaan kennon kapasiteetin optimaalinen hyödyksikäyttö koko lämpötila-alueella. Väitetään yläpuolisen varausjänniterajän ylittyminen ennen akun täydellistä varautumista. Tämä johtaa kennon kapasiteetin täydelliseen hyöayksi-käyttöön koko lämpötila-alueella. Varausprosessm lopussa tapahtuu aina merkityksellinen jännitteen nousu, ja täten on käytettävissä yksiselitteinen signaali varauksen lopettamiseksi. On mahdollista toimia kiinteällä varausrajajännitteellä ja täten välttää varauksen ennenaikainen poiskytkeytyminen vanhemmissa kennoissa liian pienen varasrajajännitteen takia. Varaus tapahtuu keksinnön mukaisen menetelmän ansiosta siihen asti, kunnes poiskytkemisjännite on saavutettu, hyötysuhteella, joka on yli 90 % niin, että ei esiinny mitään kennojen tarpeetonta lämpenemistä, ja saavutetaan paristoja säästävä käyttö. Ei ole pakko toimia varauskertoimilla yli arvon 1,1. Tämäkin vähentää kennoissa tapahtuvaa lämmön kehittymistä ja säästää tehoa.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei ole ehdottomasti välttämätöntä toimia jatkuvalla varausvirralla, vaan varausvirta voidaan johtaa akkuun myös varausvirtapulsseina.

Seuraavassa esitetään kuvion 6 perusteella keksinnön mukaisen varausmenetelmän toteuttamiseen soveltuvan varauskojeen lohkokytken-täkaavio.

Pariston 1 virtapiirissä on virrankytkin 2 ja mittari j, joka osoittaa virran oloarvoa, sekä kytkin 4, jota poistokytkemislaite b ohjaa. Virran oloarvoa verrataan säätölaitteen 6 välityksellä ennalta määrättyyn oloarvoon. Tämä ohjearvo saadaan lämpötilan tunto-laitteen 8 kautta. Poiskytkeminen tapahtuu jännitteen oloarvon mittauksen 9 perusteella ja poiskytkentälaitteen 4, 5 avulla, jolloin kuitenkin mahdollisesti voidaan sinänsä tunnetulla tavalla vaikuttaa jännitteen ohjearvoon lämpötilan tuntolaitteen 8 ohjaaman jännitteen ohjearvolaitteen 10 avulla.