NO312220B1 - Fremgangsmåte og anordning for lading av blyakkumulatorer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for å lade blybatterier i henhold til ingressen av henholdsvis de etterfølgende patentkrav 1 og 5.

Den aktive substans i et ladet blybatteri finnes i de positive elektroder av blysuperoksid PbC>2, og i de porøse, metallisk-bly negative elektroder. Når batteriet utlades, blir disse aktive substanser omformet til blysulfat PbS04, der sulfationer taes fra elektrolytten, som er svovelsyre. Prosessen er i prinsippet den omvendte under lading av batteriet. Imidlertid er omstendighetene kompliserte og fortsatt ikke fullstendig forstått. Det er imidlertid kjent at det ikke er mulig for all blysuperoksid og all metallisk bly å bli omformet fullstendig når batteriet utlades, blant annet på grunn av at endringene i volumet av elektrodene ville bevirke elektrodene til å briste. Den maksimale strømakkumulering bestemmes derfor av mengden av svovelsyre som forbrukes mellom eksempelvis de spesifikke vekter lik 1,28 og 1,18. En bestemt komplikasjon er at utladingsproduk-tet for begge typer av elektrode er uhyre vanskelig å oppløse. Oppløsbarheten av PbS04 i vann er gitt som henholdsvis IO-* mol/l og 40 mg/l, og er endog mindre oppløselig i svovelsyre, og følgelig inneholder elektrolytten en særlig lav mengde av Pb<++.> Begrensningen hos blybatterier, både ved lading og utlading, har derfor blitt vurdert til å ligge i diffusjonen av de divalente blyioner. Dessuten er blysulfat en meget dårlig elektrisitetsleder. Disse omstendigheter resulterer ofte i problemer .under lading av blybatterier, hvilke blant annet står i fare for å bli ødelagt av inaktive blysulfatlag som enten hindrer batteriet fra å bli ladet eller redusere dets ladekapasitet og gradvis gjøre batteriet ubrukelig. De tidligere nevnte problemer ved forskjellige tettheter forut og etter lading av batteriet med påfølgende dimensjonsmessige endringer, er ytterligere problemer som gir opphav til slam og også svekker batteriet mekanisk. ;Der finnes et generelt og dyptsittende synspunkt, basert på erfaring, at blybatterier bør fortrinnsvis lades forholdsvis langsomt. Eksempelvis bør et 75 At bilbatteri lades fra en lav tilstand til en fullt ladet tilstand i løpet av 10 timer. Såkalt normal hurtiglading resulterer i høyere temperaturer og reduserer den nyttige levetid for batteriet. Dette synspunkt er ganske riktig når batteriet lades på en konvensjonell måte. ;Imidlertid er det overraskende blitt funnet, i henhold til oppfinnelsen, at blybatterier kan lades med høye elektriske strømmer og med meget gode resultater med ingen betydelig økning I temperatur der batteriet lades over tidsintervaller som avbrytes med tidsintervaller under hvilke ingen lading påføres. Et siktemål med oppfinnelsen er å sette batterier i stand til å bli ladet hurtig. Et annet siktemål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en relativt billig batterilader som er i stand til å lade et batteri hurtigere og mer effektivt enn hva som hittil har vært mulig, uten å skade batteriet. Et annet siktemål er å muliggjøre at en praktisk og effektiv vedlikeholdslading kan oppnås. ;Følgelig anvendes det, i henhold til oppfinnelsen, en likestrøm, normalt en halvbølge-1ikerettet vekselspenning fra en konvensjonell ladingsenhet i intermittente strømtilfør-selsperioder som avbrytes av perioder der ingen strøm tilføres, idet disse perioder har en varighet mellom 0,5 og 10 sekunder, fortrinnsvis mellom 0,5 og 1,5 sekund. Under lading av et batteri vil strømtilførselsintervallene og pauseintervallene hensiktsmessig ha i grove trekk samme varighet. På en annen side, i tilfellet av vedlikeholdslading, vil strømtilførselsperiodene fortrinnsvis være meget korte, og, i henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, vil ha en varighet fra en halv til en hel periode av ne tt spenn i ngen. Imidlertid kan det være mer hensiktsmessig i tilfellet av visse batteriladingsenheter at denne tidsperiode er kortere enn noen tiendedeler av et sekund i varighet. I tilfellet av en vedlikeholdslading, er det vesentlige å lade batteriet over korte ladeperloder mellom relativt lange tidsintervaller, mens det tilføres en strømpuls som har en slik størrelse at man holder kontroll med eventuell forringelse av batteriet. Dersom en triae anvendes, blir nevnte triac hensiktsmessig tent etter en nullovergang og slukket med den neste følgende nullovergang, hvilket betyr at strøm vil bli ledet gjennom høyst en halvperiode i tilfellet av en halvbølge-1ikerettende enhet. I dette tilfellet gis pauseperiodene en langt lengere varighet, eksempelvis en varighet lik 10 sekunder eller enda lengere. Strømmen bør nå minst 4 A, fortrinnsvis minst 6 A under strømtilførselsperiodene. Når batteriet lagres under vintermånedene, bør det forventes at batteriet vil trenge å bli fylt med vann på et eller annet tidspunkt. ;Uten å ønske begrensning av oppfinnelsen i dette henseende, antaes i øyeblikket at den oppfinneriske virkning er knyttet til utviklingen som skjer når lading av respektive oksygen-gasser på den negative pol, som har egenskapene som er knyttet til uttrykket " in statu nascendi", resulterer i en bestemt aktivitet som setter blysulfatet i stand til å bli omformet til bly og blysuperoksid lettere. Dette vedrører muligens overflatevirkninger av en mer eller mindre mikro-skopisk natur som er meget vanskelig å observere eksperimen-telt, og også slike faststoffeffekter, krystallinsk struktur-effekter etc. av en transient natur som det er i beste fall kun mulig å spekulere over med de nåværende vitenskapelige standpunkter. ;Konseptetet knyttet til lading av blybatterier med pulsert strøm er ikke nytt i seg selv. Eksempelvis er såkalt "Pulstronic"-anordninger kommersielt tilgjengelige, hvilke leverer en pulserende lading ved henholdsvis 20 kHz og 90 kEz og med hvilke et flatt bilbatterie kan fullstendig lades i løpet av ca. 5 timer. Slik det vil forståes, er en anordning av denne type nødvendigvis relativt kostbar. Heller ikke er det mulig å oppløse sulfatering slik det er muliggjort ved den foreliggende oppfinnelse. ;Hurtigladingen av et akkumulatorbatteri som er gjort mulig ved oppfinnelsen, med hovedsakelig umerkelig oppvarming av batteriet, oppnåes imidlertid ikke med denne kjente teknikk. Det antaes derfor at i tilfellet med den foreliggende oppfinnelse, har man vært vellykket med å anvende en "kjemisk tidskonstant" som har et forhold med hendelsesforløpet som finner sted under lading av et akkumulatorbatteri. Det er kjent at tidskonstanter opptrer når blyakkumulatorbatterier utlades. Når et fullstendig ladet batteri begynner å utlade, faller spenningen fra ca. 2,2 V pr. celle til ca. 1,83 V over de første 10 sekunder, og øker så eksponentielt med nær 0,1 V med en tidskonstant lik ca. 10 sekunder. Det er generelt tenkt at dette skyldes supermetning av blysulfat i fraværet av kondensering bevirket i form av blysulfatkrystaller. ;I tilfellet av en anordning for lading av blyakkumulatorbatterier i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse, er det passende å tillate kommutering å finne sted ved å bryte en automatisk bryter og lukke strømmen i transformatorens primærvikling hvis transformert strøm likerettes. Man har funnet at det da oppnåes en initiell strømpuls med god effekt. I tilfellet av en bestemt utførel-sesform for tre-fase nettspenning, er det også blitt funnet passende å bryte og lukke kun en av faseledningene, slik at en viss mindre ladestrøm vil bli gjenværende under pauseperiodene. ;Den foreliggende oppfinnelse kan anvendes med særlig fordel for å rekondisjonere akkumulatorbatter ier som er blitt anvendt over en lang tidsperiode og har mistet sin virknings-grad på grunn av sulfatering. I slike tilfeller har cellene forskjellige tilstander og den følgende prosedyre bør følges for å "oppfriske" cellene. Batteriet lades inntil syreinnhol-det for de "beste" cellene når en normal verdi. Batteriet blir så utladet gjennom en passende valgt motstand og så ladet opp nå ny. De "dårlige" cellene forbedres hver gang denne prosedyre gjennomføres og fra bruksaspektet er batteriet ofte så godt som nytt etter tre til fem slike sykluser. Denne rekondisjoneringsprosess er blitt funnet å gi gode resultater, endog i tilfellet med meget store akkumula-torbatterier, eksempelvis batterier for å drive elektriske vogner, der alvorlige problemer eksisterer og batterikostnad-ene er høye. Oppfinnelsen muliggjør således at betydelige besparelser i kostnader kan oppnåes. ;Oppfinnelsen skal nå beskrives i nærmere detalj med henvisning til en eksemplifiserende utførelsesform derav og med henvisning til de vedlagte tegninger, der ;fig. 1 viser skjematisk en anordning ved hjelp av hvilken ;fremgangsmåten kan anvendes; ;fig. 2 er et kretsskjema for en pulserende anordning som kan kobles til inngangssiden på en konvensjonell ;ladeenhet under utøvelse av oppfinnelsen; og ;fig. 3 er et kretsskjema for kobling til et tre-fase system. Fig. 1 viser en prinsippanordning for lading av et blyakkumulatorbatteri. En transformator 1, 2 forsynes med nettspenning på primærsiden 1 og strøm fra sekundærsiden 2 likerettes, i det enkleste tilfellet ved hjelp av en enkelt diode. Den likerettede strømmen leveres til et akkumulatorbatteri 6. Der er normalt innbefattet et strømmålende instrument, hvilket kan være et konvensjonelt bløte-jernsinstrument (ikke vist). I det viste tilfellet blir den periodiske tilførsel av strøm til batteriet 6 utført med hjelp av en bryter 4 som switcher primærspenningen på og av og som ansees å gi det enkleste middel for å oppnå den periodiske tilførsel. Dette kan oppnåes med et enkelt rele som har passende drivkretser, selv om det foretrekkes å anvende en viss form av tyristobryter, ettersom der er da intet behov for å bekymre seg om slitasje på kontaktene. Fig. 2 viser en foretrukket utførelsesform av bryteren 4. En 12 V strømkilde som får tilførsel fra elektrisitetsnettet er ikke blitt vist. ;Switchingsfunksjonen utføres ved hjelp av den styrbare bryterkomponent 12, hvilken i tilfellet av den viste utførelsesform er en triac som er betegnet BT139-800E. Andre komponenter er kommersielt tilgjengelige som standard komponenter under de betegnelser som er gitt i fig. 2. Et mot-komponent 4060 settes til å frembringe pulser regelmessig til den monostabile komponent, med switching mellom en positiv og en negativ tilstand ved to-sekunders perioder. Disse pulser føres til den monostabile anordning 555, som dermed trigges en gang hvert vekselvise sekund via C2. Varigheten av den triggede tilstand kan varieres med potentiometeret Pl. Utgangssignalet fra kresten 555 leder strømmen en transistor som mater en lysemitterende diode i optobryteren MOC3040, som er tilpasset til å trigge en triac deri etter nullovergangen i nettspenningen, for derved å trigge tyristoren 12, hvilken forblir trigget så lenge som tidskretsen 555 frembringer utgangssignaler. ;I en foretrukket utførelsesform, som er en modifikasjon av utførelsesformen i fig. 2, erstattes potentiometeret Pl med to switchbare motstander som respektivt har en motstand lik 10 kohm for en ladetid lik 0,5 sekunder og en motstand lik 25 kohm for en ladetid lik 1 sekund. Switchingen blir hensiktsmessig foretatt samtidig som utmatingen på 4060 switches fra stift 1 (<O>12) til stift 3 (O14), hvilket gjør tidsintervallet fire ganger lengere. ;Ved å switche motstander og utgangskontakt samtidig, er det mulig å switche fra en tilstand der batteriet lades over en periode lik 1 sekund og en pauseperiode lik 1 sekund, til en batteriladende, vedlikeholdende tilstand der batteriene lades i 0,5 sekunder med pauser lik 7,5 sekunder. Det vil forståes at disse er kun eksempler over tenkelige tider og switchings-prosedyrer, og at tidene kan settes til hvilke som helst valgte verdier, særlig når kondensatoren koblet til stift 9 på 4060 økes for derved å muliggjøre at det hele av det delene intervall for kretsen kan anvendes, idet nevnte krets har utganger for deling med fjorten potenser av to. ;Aktiveringsvarianten som er vist i fig. 3 har en tre-fase transformator og en likeretter. I denne variant blir en kontaktbryter plassert kun på en av de innkommende tre-fase ledninger. Dette har vist seg å virke meget effektivt, ettersom likestrømmen som leveres til batteriet mens kun to faseledninger er koblet eller i inngrep er tilstrekkelig lav, slik at batteriet Ikke oppvarmes. Uten å ønske å begrense oppfinnelsen til denne forklaring, antaes det at restspenn-ingen påvirker ladingssekvensen gjennom en adekvat polariser-ingsspenning. ;Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til et antall av arbeidseksempler basert på erfaringer som er oppnådd under lading av blyakkumulatorbatterier i henhold til prinsippene for oppfinnelsen. ;Eksempel 1 ;Et flatt bilakkumulatorbatteri (syretetthet 1,18) med kapasitet lik 75 At ble ladet med på-tider og av-tider med 1 sekunds varighet, og en ladestrøm (effektiv verdi målt med bløt-jern instrument) lik 90 A. Batteriet ble ikke oppvarmet i noen betydelig utstrekning. Gass ble generert fra begynnel-sen. Etter 25 minutter ble batteriet funnet å være fullstendig ladet med en syretetthet lik 1,28. Syretetthetene ble målt med en brytningsindeks-målingsanordning. ;Batteriet ble så utladet med en strøm lik grovt 8 A, der strømmen ble målt og integrert vedvarende, idet en verdi lik 68 At ble oppnådd ned til samme utladingstilstand. ;Når det samme batteriet ble ladet med en kontinuerlig lading, var det ikke mulig å tilføre mer enn 7 A uten at batteriet ble meget varmt. ;Eksempel II ;Et omtrentlig lignende flatt eller utladet batteri, denne gang 60 At, ble ladet med ladeperioder og pauser av 1 sekunds varighet og med en ladestrøm lik 12 A, hvilken til sist falt til 10 A. Batteriet ble funnet å være fullstendig ladet etter 2 timer. ;Eksempel III ;Flere bilbatterier, 60-75 At, som hadde stått i 6-12 måneder uten vedlikeholdslading og derfor sterkt sulfatert, ble testladet i henhold til eksempel II. 80^ av batteriene ble funnet å godta en lading og viste seg fullstendig normale. Blant de ikke-vellykkede batterier ble noen funnet å være alvorlig skadet av vibrasjoner fra diselmotorer. ;Eksempel IV ;Fire såkalte lukkede, flate eller uttømte bilbatterier ble testladet i henhold til eksempel II. Samtlige av batteriene godtok lading med unntak av et og forble kaldt. Et av batteriene ble varmt. En nærmere inspeksjon av dette batteriet viste at en av dets celler var kortsluttet. ;Eksempel V ;En test ble utført på 1.000 batterier over en lang tidsperiode, idet disse batterier var mellom 5 og 15 år gamle og hadde kapasiteter mellom 55 og 700 At. Forut for regenerering var fordelingen som følger: ;De følgende resultater ble oppnådd under testing med konvensjonelle batteriladlngsprosedyrer: ;De følgende resultater ble oppnådd under regenerering i henhold til oppfinnelsen: ;Erfaring har vist at problemet med sulfatering fullstendig elimineres når oppfinnelsen anvendes til å lade akkumulator-batterier på en regulær basis. ;Ved tidligere eksperimenter med oppfinnelsen ble det anvendt en konvensjonell batterilader (halvbølge-likeretting) i kombinasjon med et relé for å bryte og lukke primærstrømmen. Selv om denne batterilader virket bra under en lang tid, brente de elektriske kontaktene gradvis ut. Det foretrekkes derfor å anvende en triac med tilhørende styrekretser som brytende og lukkende elementer i serie med primærviklingen for batteriladingsanordningen. I dette henseende blir kommutering på passende måte null-overgangstyrt. ;Det ligger innenfor det rent naturlige å anvende fortrinnsvis strømkilder som har langt større ladestrømmer enn det som hittil har vært vanlig. Det er riktig at en viss økt strømpuls oppnås under switching på primærsiden, selv om den fulle virkning av oppfinnelsen ikke oppnåes så fremt ikke maks i mums t rømmen økes til langt høyere verdier enn de som har vært normale hittil. ;Eksperimenter som er utført med den foreliggende oppfinnelse har vært rettet primært på bilbatterier, hvilke er lette å oppnå i forskjellige tilstander av forsømmelse. Imidlertid eksisterer systemer som har permanent faste batterier, eksempelvis batterier som gir tilførsel til telefonnett, nødsystemer etc. , der sulfateringsproblemer og lignende problemer er vanskelige å løse, primært problemer som er relatert til vedlikehold. Oppfinnelsen muliggjør også at besparelser kan foretaes i dette henseende ved forbedret vedlikehold, og ikke minst ved forbedret sikkerhet med hensyn til de systemer som anvendes primært som reservesystemer. *

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for å lade og forbedre sulfaterte blyakkumu-latorbatterler, omfattende å tilføre en varierende likespen-ning fra en batteriladingsenhet som er tilstrekkelig til å generere gassing på den positive og negative pol, karakterisert ved å tilføre likespenningen i intermittente ikke-negative strømtilførselsperioder som avbrytes med pauser der ingen strøm tilføres, med varigheter mellom ca. 0,5 sekunder og ca. 10 sekunder, hvorved gassene har egenskapene som er knyttet til uttrykket "in statu nascendi", hvilket resulterer i en særlig aktivitet som muliggjør at blysulfat kan lettere omformes til bly og blysuperoksid.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at strømtilførselsperiodene og pausene har generelt de samme varigheter.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at strømtilførselsperiodene og pausene har varigheter lik 0,5-1,5 sekunder.

4 . Fremgangsmåte som angitt i krav 1 for opprettholdelse av ladingen hos fullt ladede batterier, karakterisert ved at de intermittente strømtilførselspulser har en varighet som er høyst et halvt sekund, mens pausene har varigheter lik 5-10 sekunder.

5 . Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at et batteri lades inntil syre-innholdet i det beste av dets celler når en normal, ladet verdi, og at batteriet så utlades gjennom en passende valgt resistans, og så utlades, idet denne syklus gjentas inntil dårlige celler forbedres.

6. Kombinasjon av et sulfatert blyakkumulatorbatteri og en anordning for å lade blyakkumulatorbatteriet, omfattende en transformator som har en primærvikling for kobling til elektrisitetsnettet, en sekundærvikling, en likeretter koblet til sekundærviklingen, og en positiv og en negativ terminal beregnet for kobling til et batteri som skal lades, karakterisert ved et automatisk brytermiddel koblet til primærlederen for å holde elektrisitetsnettet på og av intermittent med korte ikke-negative batteriladings-perioder avbrutt av pauser der ingen strøm tilføres, med varigheter lik 0,5-10 sekunder, idet anordningen tilfører en spenning som er tilstrekkelig til å generere gassing på den positive og negative polen, hvorved gassene har egenskapene som er knyttet til uttrykket "in statu nascendi", hvilket resulterer i en særlig aktivitet som muliggjør blysulfat lettere å bli omdannet til bly og blysuperoksid.

7. Kombinasjon som angitt i krav 6, karakterisert ved at brytermidlet er tilpasset til å koble elektrisitetsnettet på og av under tidsperioder som har hovedsakelig lik varighet.

8. Kombinasjon som angitt i krav 6, karakterisert ved at brytermidlet kan settes mellom en batteriladings-tilstand der aktiveringstidsperiodene er av 0,5-10 sekunders varighet, og en batterllading-vedlikeholdende tilstand der de lading-vedlikeholdende perioder har en maksimum varighet lik 0,5 sekunder.

9. Kombinasjon som angitt i krav 6, karakterisert ved at brytermidlet innbefatter en to-veis, slukkbar halvlederventil som fungerer som en enkelt-pol bryter.