RU1781766C - Способ зар да-разр да аккумул торной батареи и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: дл  ускоренного зар да и экономического разр да аккумул торных батарей (АБ) в системах электроснабжени  автономных транспортных средств, а также подготовки АБ дл  эксплуатации в услови х низких температур. Сущность изобретени : разр д АБ осуществл ют импул ьсами посекционно , причем каждую последующую секцию аккумул торной батареи поочередно , подключают к рабочей нагрузке непосредственно перед отклонением, зар д АБг производ т посекционно в импульсном режиме . 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Description

СП

с

Изобретение относитс  к электротехнике и может найти применение дл  ускоренного зар да и экономического разр да на рабочую нагрузку в системах электроснабжени , в том числе и в автономных транспортных средствах типа электромобилей и электрокар, а также может использоватьс  при подготовке к работе аккумул тора и его эксплуатации в услови х низких температур за счет самонагрева поверхности электродов импульсами высокой частоты.

Известен способ ускоренного зар да аккумул торной батареи, согласно которому зар дные импульсы пр мой проводимости последовательно чередуют с паузами и кратковременными импульсами разр да аккумул торной батареи на разр дную цепь.

Использование импульсного режима, при котором среднее значение величины разр дного тока может существенно превышать ток одночасового номинального режима зар да аккумул тора, существенно ускор ет процесс зар да аккумул торной батареи .

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности  вл етс  способ зар да аккумул торной батареи, включающий зар д последовательностью импульсов, частоту и длительность которых уменьшают в соответствии с уменьшением напр жени  на аккумул торной батареи между зар жающими импульсами, при полном зар де, на аккумул торную батарею подают редкие импульсы, при которых среднее значение тока не превышает величину тока подзар да, причем на батарею подают зар дные импульсы, амплитуду которых ограничивают пределами 70-90% номинальной емкости до тех пор, пока напр жение на батарее в период прохождени  зар дного импульса не будет достигать заданного уровн , при этом зар д производ т импульХ| 00

О О

сами с ограничением амплитуды напр жени  на достигнутом уровне, а в промежутках между зар дными импульсами подают разр дные импульсы таким образом, что между концом зар дного импульса и началом разр дного импульса промежутка нет, а между концом разр дного и началом зар дного импульсов имеетс  промежуток, длительность которого зависит от скорости уменьшени  напр жени  на батарее и от скорости уменьшени  сравниваемого с ним напр жени  в укЖан$о$Гпрок|ежутке.

К недостаткам известного способа следует отнести недостаточное полное использование импульсного режима, который в известном способе используетс  только при зар де аккумул торных батарей и не используетс  при их разр де импульсами тока высокой плотности на рабочую нагрузку силовой цепи, что существенно ограничивает отдачу аккумул торной батареи по ампер- часам, т.е. ограничиваетс  электромеханический КПД аккумул торной батареи, определ емый отношением числа ампер-часов , отданных при разр де к числу ампер- часов, полученных при зар де до первоначального состо ни  и началом зар дного импульса промежутка нет, а между концом разр дного и началом зар дного импульсов имеетс  промежуток, длительность которого зависит от скорости умень- шени  напр жени  на батарее и от скорости уменьшени  сравниваемого с ним напр жени  в указанном промежутке.

Известно устройство дл  зар да аккумул торной батареи, содержащее источник питани , источник опорного напр жени , состо щий из последовательно соединенных двух резисторов и стабилитрона и подключенный к зажимам источника питани , конденсатор, шунтирующую выводы дл  подключени  батареи цепочку, первый транзистор, подключенный эмиттером к од- -- ному из зажимов источника питани , а коллектором к положительному выводу дл  подключени  аккумул торной батареи и через согласно включенный диод - к общей точке двух резисторов источника опорного напр жени , второй транзистор, св занный с базой первого транзистора и через резистор в коллекторный цепи с вторым зажимом источника питани , третий транзистор, св занный коллектором с базой второго транзистора, а эмиттером - с шунтирующей выводы, дл  подключени  батареи, цепочкой , причем положительный вывод стабилитрона источника опорного напр жени  подключен к отрицательному выводу источника питани , между базой третьего транзистора и источником опорного напр жени 

дополнительно введены стабилитрон и шунтирующа  стабилитрон цепочка из последовательно соединенных диода и резистора, при этом средн   точка шунтирующей цепочки св зана через конденсатор с коллектором второго транзистора, а дополнительно введенный стабилитрон и диод шунтирующей его цепочки положительными выводами подключен к общей точ0 ке стабилитрона и одного из резисторов источника опорного напр жени .

Наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату к предлагаемому  вл етс  устройство дл  питани 

5 нагрузки, содержащее параллельно включенный источник посто нного тока, например , топливную батарею и буферную аккумул торную батарею, разделенную на несколько последовательно соединенных

0 секций, причем кажда  из секций аккумул торной батареи подключена к топливной батарее через два автоматически управл емых выключател .

Источник питани  (топливна  батаре )

5 посредством ключевых элементов (автоматически управл емые выключатели), управл емых блоком коммутации, поочередно подключают к секции аккумул торной батареи , последовательно осуществл   их им0 пульсную подразр дку.

Недостатком известного устройства  вл етс  отсутствие автоматически управл емых выключателей в цепи между секци ми аккумул торной батареи и рабочей нагруз5 кой в силовой цепи, что исключает возможность импульсного режима работы в процессе разр да секций аккумул торной батареи на рабочую нагрузку в силовой цепи . Импульсный режим работы известного

0 устройства в режиме зар да позвол ет осуществить ускоренный зар д секций аккумул торной батареи за счет увеличени  допустимого значени  плотности тока при зар дке, величина которого ограничена ус5 лови ми газовыделени  в приэлектродной области. Импульсный режим осуществл етс  путем последовательного переключени  источника питани  на очередную секцию аккумул торной батареи. Таким образом, вус0 тройстве в режиме зар да источник питани  работает в непрерывном режиме, а поочередно подзар жаемые секции аккумул торной батареи работают в импульсном режиме зар да.

5 К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность реализации его работы в импульсном режиме разр да на рабочую нагрузку силовой цепи, что ограничивает ампер-часовую отдачу аккумул торной батареи за счет газовыделени  и

концентрационной пол ризации. При длительном (непрерывном) разр де непрерывным током большой плотности происходит обеднение электролита в приэлектродных сло х и в порах электродов, что приводит к пассивации электродов и к повышению интенсивности газовыделени .

Целью изобретени   вл етс  повышение экономичности, надежности и долговеч- ности за счет увеличени  разр дной емкости.

Это достигаетс  тем, что в способе зар да-разр да аккумул торной батареи в за- р ,дно-разр дном режиме на аккумул торную батарею подают последовательность импульсов посто нного тока повышенной плотности, а между импульсами одной пол рности подают кратковременные депол ризационные импульсы противоположной пол рности, аккумул торную батарею в режиме разр да на рабочую нагрузку разр жают посекционно, причем все секции аккумул торной батареи имеют равные потенциалы и каждую последующую секцию поочередно, по кольцевому (стэковому) принципу подключают к рабочей нагрузке силовой цепи непосредственно перед отключением предыдущей секции .

Кроме того, устройство дл  зар да-разр да аккумул торной батареи, содержащее источник посто нного тока и аккумул торную батарею, разделенную на несколько секций, подключенных к источнику питани  через автоматические управл емые ключевые элементы, снабжено коммутатором с блоком задатчика и многоканальным переключателем режимов работы, а секции аккумул торной батареи выполнены равнопотенциальными и при установленном в положении Режим разр да на рабочую нагрузку многоканальном переключателе режимов работы, кажда  секци  аккумул торной батареи соединена с рабочей нагрузкой через эммитерно-кол- лекторный переход своих ключевых элементов , подключенных базой к контактам выходных каналов коммутаторов, на задат- чике которого установлены последовательность и длительность управл ющих импульсов.

Именно введение многоканальных переключател  режимов работы, коммутатора , задатчика последовательности и длительности управл ющих импульсов с возможностью их взаимосв зи в режиме разр да на рабочую нагрузку таким образом , что секции аккумул торной батареи по- средством управл емых ключевых элементов поочередно в кольцевом (стэковом ) режиме подключены к рабочей нагрузке позвол ет осуществить импульсный режим работы не только при зар де аккумул торной батареи, но и при ее разр де на рабочую нагрузку, что обеспечивает достижение поставленной цели изобретений .

В устройство введен многоканальный переключатель режимов работы, посредст0 вом которого секции аккумул торной батареи в режиме разр да поочередно подключены к рабочей нагрузке силовой цепи .

Новым по отношению к прототипу  вл 5 етс  также и дополнительна  возможность реализации высококачественного экономического разогрева электродных пластин аккумул тора в зимнее врем . Высокочастотный режим осуществл етс 

0 при включении минимальной нагрузки и достигалс  путем изменени  скорости коммутации секций аккумул торной батареи. В высокочастотном режиме, свыше 1000 Гц, индуктированные на поверхности электрод5 ных пластин вихревые токи циркулируют только на наружной части пластин, разогрева  не весь электрод и не весь электролит, а только непосредственно поверхность электродов и электролит в прилегающей к

0 поверхности области. Разогрев аккумул торной батареи в этом случае не требует больших затрат энергии и происходит значительно быстрее.

Улучшение энергетических показателей

5 аккумул торных батарей, секции которых работают в импульсном режиме, св зано в наличием пауз, во врем  которых снижаетс  ЭДС пол ризации и выравниваетс  плотность электролита в толще электродов и в

0 приэлектродной области, ЭДС пол ризации и высокий коэффициент концентрации электролита образованы вследствие воздействи  высокой плотности тока, необходимой дл  ускоренной зар дки аккумул тора. Реа5 лизуетс  импульсный режим при разр де секций аккумул торной батареи на рабочую нагрузку силовой электрической цепи. Плотность тока при разр де может существенно превышать плотность тока при ускоренной

0 зар дке секций аккумул торной батареи.

Отрицательные факторы, св занные с большими плотност ми тока в режиме разр да секций аккумул торной батареи усугубл ютс  даже по сравнению с режимом

5 ускоренного зар да, так как если в процессе зар да величина тока поддаетс  регулированию , то в процессе разр да на рабочую нагрузку величина тока может во много раз превышать величину зар дного тока, а врем  и моменты подключени  рабочей нагрузки в большинстве случаев нос т случайный неуправл емый характер.

Импульсный режим в этом случае, при разр де на рабочую нагрузку, с поддержанием непрерывности и посто нства уровн  напр жени , подводимого к рабочей нагрузке , позвол ет существенно повысить ампер-часовую отдачу аккумул торной батареи за счет снижени  градиента плотности электролита и снижени  ЭДС пол ризации.

Способ зар да-разр да аккумул торный батарей заключаетс  в следующем.

Ускорение зар да аккумул торной батареи достигаетс  за счет повышени  плотности зар дного тока, что в свою очередь вызывает увеличение градиента концентрации электролита в порах пластин электродов и в приэлектродной области, приводит к образованию концентрационной пол ризации , Увеличение напр жени  обгон ет рост потенциалов электродов и достигает значени , соответствующего активному газовыделению . В этом случае существенна  часть тока тратитс  на разложение воды, разогрев электродов и электролита.

С целью уменьшени  газовыделени  в режиме ускоренного зар да зар д секций аккумул торной батареи осуществл етс  импульсами, длительность которых выбираетс  достаточно короткой. Улучшение характеристик аккумул торных батарей, достигаемых при импульсном зар де, в основном объ сн етс  наличием пауз.между импульсами, в течение которых ЭДС пол ризации успевает заметно снизитьс . Одновременно во врем  пауз между импульсами происходит диффузионное выравнивание плотности электролита в толще электродов и в приэлектродной области, градиент которой образовалс  в процессе химических реакций при протекании импульса зар дного тока. Таким образом, наличие пауз при импульсном зар де аккумул торных батарей способствует более полному использованию активной массы в толще электродов и уменьшению объема газовыделени . Существенное положительное вли ние достигаетс  за счет кратковременного пол ризационного импульса, воздействующего на секции аккумул торной батареи в конце зар дного импульса.

Благодар  тому, что зар д секций аккумул торной батареи осуществл етс  импульсами зар да, завершающимис  кратковременными депол ризационными импульсами, ток зар да используетс  только непосредственно на полезные химические реакции, что приводит к улучшению

электрических и эксплуатационных характеристик аккумул торных батарей.

Согласно предлагаемому способу разр д секций аккумул торных батарей также

осуществл ют в импульсном режиме, причем таким образом, чтобы питание рабочей нагрузки в силовой цепи осуществл лось непрерывным посто нным током с поддерживанием посто нного уровн  напр жени ,

0 подводимого к рабочей нагрузке.

Импульсный режим достигаетс  тем, что аккумул торную батарею в режиме Разр д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку разр жают посекционно, дл 

5 чего каждую секцию по кольцевому (стэко- вому) принципу поочередно подключают к рабочей нагрузке. Скорость переключени  рабочей нагрузки в одной секции аккумул торной батареи на другую определ ют дли0 тельность импульса. Непрерывность и посто нство уровн  напр жени  питани  рабочей нагрузки достигаетс  благодар  тому , что все секции имеют равные потенциалы , а последующую секцию подключают к

5 рабочей нагрузке силовой электрической цепи непосредственно перед отключением предыдущей секции. Следует отметить, что напр жение на зажимах очередной отключаемой секции аккумул торной батареи в

0 конце импульса всегда ниже потенциала очередной подключаемой к рабочей нагрузке секции, что приводит в момент одновременного включени  к образованию кратковременного депол ризационного им5 пульса, который способствует ускорению выравнивани  электродного потенциала.

В целом  влени , характерные дл  процесса ускоренного зар да в импульсном режиме с большими плотност ми тока

0 согласно прототипу аналогичны  влени м разр да в импульсном режиме согласно предлагаемому техническому решению. Более того, плотности тока при разр де существенно превосход т плотности тока при

5 зар де, т.к. если в процессе зар да амплитуду импульса можно устанавливать в соответствии с расчетом, ,то в процессе разр да на рабочую нагрузку плотность тока измен етс  в широких пределах, определ емых ус0 лови ми эксплуатации, и может быть осуществлено превышать амплитуду зар дного тока, особенно в стартерном режиме. Импульсный режим разр да способствует более полному использованию активной

5 массы электродных пластин, что увеличивает разр дную емкость аккумул торной батареи , улучшает ее эксплуатационные характеристики. Действительно, при длительном разр де на рабочую нагрузку с большими плотност ми тока на положительном электроде образуетс  вода, что в случае достаточной продолжительности воздействи  нагрузки приводит к газообразованию, а на отрицательном электроде осаждаютс  ионы металла и в приэлектродной области увеличиваетс  градиент концентрации электролита, с которым взаимодействуют ионы металла, образу  на поверхности электродов плохорастворимуго мелкозернистую твердую фазу, закупоривающую активную массу в толще электродов, и существенно снижающую их разр дную емкость.

Таким образом, при разр де аккумул тора с высокими плотност ми тока сущест- венную роль играет неравномерное распределение пол ризации по толщине электродов и высокий градиент плотности электролита в приэлектродной области из- за несоответстви  скорости реакции и скорости диффузионного выравнивани  плотности электролита.

Импульсный режим разр да за счет пауз между разр дными импульсами путем поочередного отключени  секций аккумул торной батареи и воздействие де- пол ризационных импульсов в момент отключени  очередной секции позвол ют исключить или ограничить рассмотренные отрицательные  влени .

Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на чертеже, совмещенном с графиком управл ющих импульсов напр жений Ui(r) и U2(f), расположенными каждый на выходе своего канала коммутатора, и графика регулирующего напр жени  U2(r) расположенного под ними.

Устройство содержит аккумул торную батарею 1, котора  имеет равнопотенциаль- ные секций 2, подключенные минусовыми контактами к корпусу или соответственно к отрицательной шине силовой цепи. Плюсовые контакты секций 2 аккумул торной батареи 1 посредством многоканального переключател  3, установленного в положении Разр д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку посредством его контактов (Ь и d) и контактов (Э и К).

Дл  реализации способа в схему устройства введены диоды (Дч и Д2) между контактами (Э и К) автоматически управл емого ключевого элемента 4.

Диоды (Д1 и Да) позвол ют осуществл ть предусмотренный разр д, подключаемой секции аккумул торной батареи на отключаемую, потенциал которой снижен за врем  разр дного импульса. ,

Полученный таким образом депол ри- зационный импульс отключаемой секции

аккумул торной батареи оказывает положительное воздействие при ее под;отовке к новому разр дному импульсу.

Контакты b, d, Э и К автоматически уп- 5 равл емого ключевого элемента 4 подключены к рабочей нагрузке 5, котора  другим своим контактом подключена к корпусу или соответственно к отрицательной шине силовой цепи. В режиме работы зар д аккуму0 л торной батареи секции 2 аккумул торной батареи 1 контактами (а и с) многоканального переключател  3 режимов работы и контактами (Э и К) автоматически управл емого ключевого элемента 4 под5 ключены к положительному контакту источника 6 питани , отрицательные контакты которого подключены к корпусу. Каждый автоматически управл емый ключевой элемент 4 своими контактами (Б) базы и (К)

0 коллектора подключены к контактам (е и f) своего канала на выходе коммутатора 7, посредством которого очередна  секци  2 аккумул торной батареи 1 подключена к рабочей нагрузке 5 в режиме работы Раз5 р д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку и к источнику б питани  в режиме работы Зар д аккумул торной батареи. Продолжительность и последовательность управл ющих ипульсов устанавливаетс  за0 датчиком 8, подключенным к входу коммутатора 7.

Устройство работает следующим образом .

Автоматически управл емый многока5 нальный переключатель 3 устанавливают в положение, соответствующее выбранному режиму работы Зар д аккумул торной батареи в соответствии с установленными на задатчике 8 последовательностью и дли0 тельностью управл ющих импульсов Ui(r ) и Ltefr), коммутатор 7 поочередно, как это показано на графиках UI(T ) и Ji(r, выдает управл ющие импульсы на контакты (е и f) своих выходных каналов. Как видно из при5 веденных графиков, длительность и последовательность управл ющих импульсов выбрана таким образом, чтобы обеспечить их перекрытие, при котором к концу импульса разр да каждой предыдущей секции пре0 дусмотрен кратковременный момент совместной работы с каждой последующей, вновь подключаемой секции, имеющей соответственно более высокий потенциал, чем у отключаемой секции. Возникающий при

5 этом депол ризационный импульс и последующа  пауза в работе кратковременно отключаемой секции 2 способствуют выравниванию градиента плотности электролита , а следовательно, уменьшению газовыделени  в приэлектродной области, а также улучшению фазового состо ни  вещества на поверхности электродной пластины. Таким образом, поочередный режим подключени  секций 2 аккумул торной батареи 1 способствует улучшению технико-экономических характеристик за вл емого устройства . Этот режим реализован на базе кольцевого счетчика, триггеры которого соединены в сдвигающий регистр, посредством которого отключение последнего канала коммутатора 7 св зано с очередным включением его первого канала (стэковый режим работы коммутатора 7). Триггеры могут работать в счетном режиме. Длительность и число счетных импульсов устанавливают на задатчике 8, тем самым определ ют последовательность и длительность управл ющих импульсов на контактах (е и f) выходных коммутатора 3.

В режиме работы Разр д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку секции 2 аккумул торной батареи 1 через контакты (Ь и d) переключател  3 и через контакты (Э и К) автоматически управл емого ключа 4 также осуществлен импульсный режим работы , который как и в режиме Разр д аккумул торной батареи реализован поочередным включением секций 2 аккумул торной батареи 1 посредством коммутатора 7 в соответствии с установленными на задатчике 8 последовательностью и продолжительностью управл ющих импульсов.

Из графиков, представленных на чертеже и совмещенных с блок-схемой устройства , следует, что импульсы одного канала на выходах (Е и f) коммутатора 7 перекрываютс  перед отключением этого канала импуль- сами на выходах (е и f) другого последующего канала. Такое перекрытие необходимо дл  депол ризационного воздействи  на очередную отключаемую секцию и дл  обеспечени  посто нного уровн  напр жени  на рабочей нагрузке.

В режиме Разр д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку наличие пауз и депол ризационных импульсов перед очередным отключением секций 2 аккумул торной батареи 1 оказывает еще более эффективное воздействие, чем при зар де, поскольку плотность разр да на несколько пор дков может превышать плотность тока при зар де. Отсутствие пауз и депол ризационных импульсов в режиме разр да известных устройств приводит к увеличению плотности электролита и к ухудшению фазового состо ни  поверхности пластин электродов , что существенно усугубл ет пол ризацию и вызывает активное газовыделение

Поочередное включение секций 2 аккумул торной батареи 1 в режиме Разр д аккумул торной батареи на рабочую нагрузку позвол ет реализовать импульсный режим разр да секций 2 аккумул торной батареи 1 с паузами и перекрытием импульсов , поступающих на рабочую нагрузку.

Перекрытие каждой пары смежных импульсов , как показано на графике Ue ( т),

позвол ет не только нормировать депол ри- зационный импульс, но и обеспечивает при импульсном (дискретном) режиме работы секций 2 аккумул торной батареи 1 непрерывный режим питани  рабочей нагрузки 5

напр жением посто нного тока и посто нного уровн .

Импульсный режим работы секций 2 аккумул торной батареи 1 при непрерывном питании рабочей нагрузки 5 напр жением

посто нного уровн   вл етс  характерной особенностью предлагаемого способа.

Дл  обеспечени  саморазогрева секций 2 аккумул торной батареи 1 устанавливают высокочастотный режим посредством задатчика 8 и подключают минимальную нагрузку 5.

Возможность импульсного разр да секций 2 аккумул торной батареи 1 с обеспечением непрерывности и посто нства уровн 

напр жени  питани , подводимого к рабочей нагрузке, способствует более полному использованию активной массы электродов , выравниванию плотности электролита в порах электродов и в приэлектродной области , уменьшению или устранению газовыделени . В результате больша  часть тока при импульсном разр де идет на полезные электрохимические реакции, при этом существенно уменьшаетс  внутреннее сопротивление секций аккумул торных батарей, т.к. во врем  паузы и за счет депол ризационных импульсов ЭДС пол ризаци  успевает заметно снизитьс .

Ограничение газовыделени  за счет импульсного разр да позвол ет существенно увеличить допустимый ток разр да аккумул тора . В целом уменьшение или устранение газовыделени , уменьшение ЭДС пол ризации, обеспечение необходимых условий образовани  твердой фазы на поверхности электродов при значительных токах разр да, вплоть до стартерных, позвол ет существенно улучшить энергетические и эксплуатационные характеристики аккумул торных батарей, увеличить разр дную емкость , повысить надежность и долговечность и, при использовании высокочастотного режима работы обеспечить ускоренный и экономичный саморазогрев

аккумул тора в услови х низких температур ,

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ зар да-разр да аккумул торной батареи, при котором в зар дном-раз- р дном режиме на аккумул торную батарею подают последовательность импульсов посто нного тока повышенной плотности, а между импульсами одной пол рности подают кратковременные депол - ризационные импульсы противоположной пол рности, отличающийс  тем, что, с целью повышени  экономичности, надежности и долговечности за счет увеличени  разр дной емкости, аккумул торную бата- рею в режиме разр да на рабочую нагрузку разр жают посекционно, причем все секции имеют равные потенциалы и каждую последующую секцию поочередно по кольцевому принципу подключают к рабочей на- грузке непосредственно перед отключением предыдущей секции.
2. 2. Устройство дл  зар да-разр да аккумул торной батареи, содержащее источник посто нного тока и аккумул торную батарею , разделенную на несколько секций, подключенных к источнику через автоматически управл емые ключевые элементы, отличающеес  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей , оно снабжено коммутатором с блоком задатчика и многоканальным переключателем режимов работы, а секции аккумул торной батареи выполнены равнопотенциальными и через переключатель режимов работы кажда  секци  аккумул торной батареи соединена с источником посто нного тока и с рабочей нагрузкой через эмиттерно-коллекторный переход своих ключевых элементов, подключенных базой к контактам выходных каналов коммутатора , на задатчике которого установлены последовательность , и длительность управл ющих импульсов.