SK142895A3 - Method and device for charging lead accumulators - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Predložený vynález sa týka spôsobu nabíjania olovených akumulátorov a zariadenia na jeho uskutočnenie v súlade s úvodom ďalej uvedených patentových nárokov 1, resp. 5.

Doterajší stav techniky

Aktívna substancia nabíjacieho oloveného akumulátoru je založená na kladných elektródach z oxidu olovičitého PbO₂ a pórovitých olovených záporných elektródach. Keď je batéria vybitá, sú tieto aktívne substancie premenené na síran olovnatý PbSO₄, pričom síranové ióny sú odčerpávané z elektrolytu, ktorým je kyselina sírová. Proces je v princípe obrátený pri nabíjaní akumulátoru. Avšak okolnosti sú· komplikované a stále nie celkom úplne preskúmané. Je však známe, že nie je možné, aby boli kompletne prevedené všetky oxidy olova a všetko olovo akokolvek je akumulátor vybitý, medzi iným preto, že zmeny objemu elektród by mohli spôsobít ich popraskanie. Maximálny akumulovaný prúd je teda určený množstvom kyseliny sírovej, ktorej spotreba je napr. medzi špecifickou hmotnosťou 1,28 a 1,18. Jedna zo špeciálnych komplikácií je, že produkt vybíjania oboch elektród je velmi ťažko rozpustný. Rozpustnosť. PbSO₄ vo vode je 10^-5 mól/1, resp. 40 mg/1 a je dokonca menej rozpustný v kyseline sírovej, v dôsledku čoho elektrolyt obsahuje obzvlášť malé množstvo Pb⁺⁺. Difúzia dvojmocných iónov olova obmedzuje ako nabíjanie, tak vybíjanie olovených batérií. Okrom toho je síran olovnatý veľmi slabým elektrickým vodičom. Tieto okolnosti často spôsobujú problémy pri nabíjaní olovených batérií, ktoré sú okrem iného vystavené nebezpečenstvu zničenia pasívnymi vrstvami síranu olovnatého, ktoré buď zabraňujú nabitiu batérie, alebo zmeňšujú jej nabíjaciu kapacitu a postupne batériu znehodnocujú. Vyššie uvedené problémy s rôznymi prvotnými hustotami a následne nabíjanie batérie spolu s následnými objemovými zmenami sú problémami dodatočnými, ktoré zvyšujú kal a zároveň mechanicky oslabujú batériu.

Všeobecne je hlboko zakorenený názor, založený na skúsenosti, že by sa malo uprednostňovať pomerne pomalé nabíjanie olovených batérií. Napríklad autobatéria s kapacitou 75 Ah by mala byt nabíjaná z vybitého stavu do stavu úplného nabitia asi 10 hodín. Takzvané normálne rýchle nabíjanie sa prejavuje vyššími teplotami a zmenšovaním praktickej životnosti batérie. Tento názor je celkom správny, keď sa batéria nabíja obvyklým spôsobom.

Avšak v súlade s vynálezom bolo prekvapujúco zistené, že olovené batérie môžu byť nabíjané vyššími prúdmi a s velmi dobrými výsledkami pri nepatrnom zvýšení teploty, keď je batéria nabíjaná v krátkych časových intervaloch, ktoré sú prerušované časovými intervalmi, počas ktorých sa nenabíja. Jedným cielom vynálezu je umožniť rýchle nabíjanie batérií. Ďalším cielom vynálezu je vytvorenie relatívne lacnej nabíjačky batérií, ktorá bude schopná nabíjať batérie rýchlejšie a efektívnejšie, než je doposial možné, a to bez poškodzovania batérie. Ďalším cielom je umožniť dosiahnutie praktického a efektívneho udržovacieho nabíjania.

Podstata vynálezu

V súlade s vynálezom sa používa jednosmerný prúd, normálne polvlnovo usmernené striedavé napätie z obvyklej nabíjacej jednotky privádza prúd v opakujúcich sa periódach, ktoré sú prerušované periódami, počas ktorých nie je privádzaný žiadny prúd, pričom tieto periódy majú dobu trvania medzi 0,5 až 10 sekundami, výhodne medzi 0,5 až 1,5 sekundami. Pri nabíjaní batérie budú mat intervaly privádzania prúdu a intervaly prerušenia výhodne v podstate rovnakú dobu trvania. Na druhej strane v · prípade udržiavacieho nabíjania budú výhodné veľmi krátke periódy privádzania prúdu a v súlade s jedným výhodným uskutočnením vynálezu budú mat dobu trvania od jednej polovice do jednej celej periódy hlavného napätia. Avšak v prípade niektorých nabíjacích jednotiek batérií môže byt účelnejšie aby doba trvania tejto časovej periódy nebola kratšia ako niekoľko desatín sekundy. V prípade udržiavacieho nabíjania je hlavnou vecou nabíjat batériu počas krátkych nabíjacích periód medzi relatívne dlhými časovými intervalmi, pričom sú privádzané prúdové pulzy takej veľkosti, aby sa udržali akékoľvek možné poškodenia batérie pod kontrolou. Ak je použitý triak, je tento vhodne spínaný po prechode nulou a vypínaný s ďalším nasledujúcim prechodom nulou, čo znamená, že v prípade polvlnovej usmerňovačej jednotky bude prúd pretekat najviac jednu polovicu periódy. V tomto prípade majú periódy prerušení omnoho dlhšiu dobu trvania, napríklad dobu trvania 10 sekúnd alebo ešte dlhšiu. Počas periód privádzania prúdu by tento mal dosiahnut aspoň 4 A, výhodne však aspoň 6 A. Keď je počas zimných mesiacov batéria skladovaná, malo by sa predpokladať, že batéria bude potrebovať, aby bola niekedy doplnená vodou.

S prianím neobmedziť v tomto ohľade vynález, sa v súčasnej dobe predpokladá, že účinok vynálezu sa týka vývoja okolností pri nabíjaní, resp. vývoja kyslíkových plynov na kladnom póle a vodíkových plynov na zápornom póle, ktoré majú vlastnosti spojované s termínom v stave zrodu. Výsledkom je, že sa tým umožní premena síranu olovnatého na olovo a na oxid olovičitý oveľa ľahšie. To pravdepodobne zahrňuje povrchové javy, viac či menej mikroskopickej povahy, ktoré je veľmi ťažké experimentálne sledovať a tiež javy v pevných látkach, kryštalizačné efekty, atď., prechodnej povahy, nad ktorými je v najlepšom prípade možnosť iba uvažovať s použitím súčasných vedeckých stanovísk.

Objav dobíjania olovených batérií pomocou pulzujúceho prúdu nie je sám o sebe nový. Napríklad takzvané Pulstronic zariadenia, ktoré sú bežne predávané, uskutočňujú pulzujúce dobíjanie pri 20 kHz, resp. 90 kHz a s nimi je autobatéria s rovinnými elektródami tak plne nabitá asi za 5 hodín. Ako pochopíme ďalej, zariadenie tohoto druhu je nevyhnutne relatívne drahé. Ani nie je možné rozpustiť sírany, ako to umožňuje tento vynález.

Vynález dáva možnosť rýchleho nabíjania akumulátorov s ich nepostrehnuteľným zahrievaním, hoci sa to nedosahuje pomocou tejto známej techniky. Teda sa predpokladá, že v prípade tohoto vynálezu, sa už úspešne využíva chemická časová konštanta, ktorá sa týka procesu prebiehajúceho pri nabíjaní akumulátorov. Je známe, že časové konštanty sa vyskytujú pri vybíjaní olovených akumulátorov: Keď sa plne nabitá batéria začína vybíjať, napätie klesá asi z 2,2 V na článok na približne 1,83 V v prvých 10 sekundách a potom sa exponenciálne zvyšuje približne o necelých 0,1 V s časovou konštantou asi 10 sekúnd. Všeobecne sa myslí, že je to spôsobené presýtením síranom olovnatým pri nedostatočnom skvapalnení, ktoré je spôsobené vytváraním kryštálov síranu olovnatého.

V prípade zariadenia na nabíjanie olovených akumulátorov v súlade s princípom predloženého vynálezu, je vhodné umožniť komutáciu vykonávanú vypínaním a zapínaním prúdu v primárnom vinutí transformátoru automatickým prerušovačom. Transformovaný prúd sa potom usmerňuje. Zistilo sa, že sa tým získa počiatočný prúdový impulz s dobrým účinkom. V prípade zvláštneho uskutočnenia pre trojfázové sieťové napätie sa tiež zistilo, že je vhodné vypínať a zapínať iba jeden z fázových vodičov, takže určitý menší nabíjací prúd zostane počas periód prerušenia.

Tento vynález môže byt používaný špeciálne na znovuobnovenie akumulátorov, ktoré boli používané dlhé časové obdobie a stratili svoju účinnosť vďaka zvýšenej koncentrácii síranov. V takých prípadoch majú články rozdielne podmienky a nasledujúci postup by mal viesť k tomu, aby sa články obnovili. Batéria je nabíjaná tak dlho, pokial nedosiahne obsah kyseliny v najlepších článkoch normálnu hodnotu. Potom je batéria vybíjaná vhodne zvoleným odporom a potom znovu nabíjaná. Chudobné články sú obohacované v každom okamihu tohoto postupu. Postup zaručuje, že z hladiska použitia je často táto batéria rovnako dobrá ako nová po troch až piatich takýchto cykloch. Tento zlepšovací proces nachádza dobré uplatnenie i v prípade velmi velkých akumulátorov, napr. batérií na zabezpečenie napájania elektrických nákladných automobilov, kde sú ináč vážne problémy a batérie sú dosť drahé. Vynález teda umožňuje dosiahnuť značné úspory nákladov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Tento vynález bude teraz opísaný detailnejšie s odkazom na príklady uskutočnenia a s odkazom na priložené obrázky, v ktorých Obr. 1 ukazuje schematicky zariadenie, pomocou ktorého môže byt metóda aplikovaná; Obr. 2 je obvodová schéma prerušovacieho zariadenia, ktoré môže byť pri uskutočnení vynálezu pripojené na vstupnú stranu obvyklej nabíjacej jednotky; a Obr. 3 je obvodová schéma pre zapojenie v trojfázovej sústave.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr. 1 ukazuje základné zariadenie na nabíjanie oloveného akumulátoru. Transformátor 1,2 je na primárnej strane 1 napájaný sieťovým napätím a zo sekundárneho vinutia 2 je odoberaný prúd, ktorý je usmerňovaný v najjednoduchšom prípade jednou diódou. Usmernený prúd je dodávaný do akumulátoru 6. Bežne sa tam tiež zapojuje prístroj na meranie prúdu, môže to byť obyčajný feromagnetický prístroj (nie je zakreslený). V znázornenom prípade sa dosiahne napájanie akumulátoru 6 periodickým prúdom s pomocou prerušovača 4., ktorý vypína a zapína napätie na primárnej strane a zabezpečuje tak najjednoduchšie periodické napájanie. To možno dosiahnuť jednoduchým relé, ktoré má vhodné riadiace obvody, hoci sa uprednostňuje použitie niektorej formy s tyristorovými prerušovačmi, pretože potom nie je potrebné obávať sa o opotrebovanie kontaktov.

Obr. 2 ukazuje preferované zapojenie prerušovača 4. Nie je tu znázornený 12 V zdroj prúdu, ktorý je napájaný z hlavnej siete.

Prerušovacia funkcia je zaistená riaditeľným prerušovacím prvkom 12, ktorý je v tomto prípade realizovaný navrhnutým triakom BT139-800E. Ďalšie prvky je možno kúpiť ako bežné súčiastky pod označeniami uvedenými na na Obr. 2. čítač 4060 je nastavený tak, aby generoval pravidelné pulzy k monostabilnej súčiastke, s prepínaním medzi kladným a záporným stavom vo dvoj sekundových periódach. Tieto pulzy sú vedené do monostabilného zariadenia 555, ktoré je potom spínané každú druhú sekundu prostredníctvom C2. Doba trvania zopnutého stavu sa môže menit potenciometrom Pl. Výstupný signál z obvodu 555 vedie prúd cez tranzistor, ktorý napája LED diódu v optospínači MOC3040, ktorý je prispôsobený pre spínanie triaku, ktorý cez nulu prenáša sieťové napätie, tak že zopne tyristor 12, ktorý zostáva zapnutý tak dlho, ako dlho generuje časový obvod 555 výstupné signály.

Vo výhodnom uskutočnení, ktoré je modifikáciou zapojenia z Obr. 2, je potenciometer Pl nahradený dvoma nastaviteľnými odpormi majúcimi odpor 10 kD a nabíjací čas 0,5 sekúnd, resp. odpor 25 kh pre nabíjací čas 1 sekundu. Spínanie je vhodne zabezpečené v tom istom čase, v ktorom je spínaný výstup na 4060 od vývodu 1 (Q^) do vývodu 3_ (Q₁₄), čo robí časový interval štyrikrát dlhším.

Spínaním odporov a výstupných kontaktov súčasne, je možné spínať zo stavu, v ktorom je batéria nabíjaná s periódou 1 sekundy a- nenabíjačou periódou 1 sekundy, na stav udržovania nabíjania batérie, v ktorom sa batérie nabíjajú 0,5 sekundy s pauzami 7,5 sekundy. Rozumie sa, že sú to iba príklady možných časov a spínacích pochodov, a že časy môžu byť nastavené na akékoľvek vybrané hodnoty, obzvlášť ked je kondenzátor pripojený na vývod 9 obvodu 4060 zväčšený tak, aby umožnil

T využitie celého deliaceho intervalu obvodu, a uvedený obvod má výstupy pre delenie štrnástich mocninami dvoch.

Aktivačný variant, ktorý je znázornený na Obr. 3 má trojfázový transformátor a usmerňovač. V tomto zapojení je kontaktný vypínač umiestnený len v jednej fáze trojfázového vstupného vedenia. Zistilo sa, že toto pracuje veľmi efektívne , pretože jednosmerný prúd, ktorý sa dostane do batérie pokiaľ sú zapojené alebo obsadené iba dva fázové vodiče, je dostatočne nízky na to, aby batériu nezahrievai. Bez toho, aby toto vysvetlenie obmedzovalo vynález, sa predpokladá, že zostatkové napätie má vplyv na nabíjaciu sekvenciu cez primerané polarizačné napätie.

Vynález bude teraz opísaný s odkazom na početné príklady uskutočnenia, založené na skúsenostiach získaných pri nabíjaní olovených akumulátorov podľa princípov tohoto vynálezu.

PRÍKLAD 1

Obyčajný automobilový akumulátor (hustota kyseliny 1,18) 75 Ah bol nabíjaný so zapínacími a vypínacími časmi v dĺžke trvania 1 sekundy a s nabíjacím prúdom (efektívna hodnota meraná feromagnetickým prístrojom) 90 A. Batéria sa nezahrievala na žiadny postrehnuteľný stupeň. Od začiatku sa vylučoval plyn. Po 25 minútach sa zistilo,že batéria je plne nabitá s hustotou kyseliny 1,28. Hustoty kyseliny boli merané prístrojom na meranie indexu lomu.

Batéria sa potom vybíjala prúdom asi 8 A, pričom sa nepretržite meral a integroval prúd, čím sa získala hodnota 68 Ah v tom istom stave vybitia.

Keď je nabíjaná rovnaká batéria kontinuálnym prúdom, nie je možné ju napájať väčším prúdom než 7A bez toho, aby sa velmi nezahriala.

PRÍKLAD 2

Približne rovnaká batéria s rovinnými elektródami alebo vybitá batéria, toho času 60 Ah, bola nabíjaná s nabíjacou periódou a pauzou v dĺžke trvania 1 sekundy nabíjacím prúdom 12 A, ktorý bol nakoniec znížený na 10 A. Batéria bola plne nabitá po 2 hodinách.

PRÍKLAD 3 /

Niekolko autobatérií, 60-75 Ah, ktoré boli ponechané 6-12 mesiacov bez údržby nabíjaním, čiže boli značne zahltené síranom, sa skúšobne nabíjalo v súlade s PRÍKLADOM 2. 80 % z týchto batérií bolo spôsobilých nabíjania a javili sa ako plne normálne. Medzi neúspešnými batériami boli niektoré nájdené ako vážne poškodené vibráciami z dieselových motorov.

PRÍKLAD 4

Štyri takzvane obyčajné autobatérie alebo vyčerpané autobatérie boli testované nabíjaním súhlasne s PRÍKLADOM 2. Všetky s výnimkou jednej boli spôsobilé nabíjania a zostali chladné. Jedna z týchto batérií sa zahriala. Pri bližšom skúmaní tejto batérie sa ukázalo, že je jeden z jej článkov skratovaný....

PRÍKLAD 5 '

Test bol uskutočnený na 1 000 batériách v dlhom časovom

období. Tieto batérie boli staré 5 až 15 rokov a mali kapaci
ty medzi 55 až ledovné:	700 Ah. Pred regeneráciou bolo rozdelenie nas
Počet	Hustota kyseliny	Kapacita
671	1,00-1,10	0-18%
303	1,11-1,18	19-33%
19	1,19-1,24	34-42%
7	1,25-1,26	43-57%

Nasledujúce výsledky sa získali po testovaní s klasickými postupmi nabíjania batérií:

Počet_Hustota kyseliny_Kapacita

1,27-1,28 100%

974 nezmenené nezmenené

Nasledujúce výsledky sa získali pri regenerácii v súlade s vynálezom:

Počet

Hustota kyseliny

1,28-1,30

1,00-1,02

Kapacita

100%

0% (mechanická závada)

786

188

Skúsenosť ukázala, že problém sulfatizácie je úplne odstránený, keď sa vynález použije na pravidelné nabíjanie akumulátorov·.

V predchádzajúcich pokusoch s vynálezom sa používali obvyklé batériové nabíjače (polvlnové usmernenie) v kombinácii s relé na vypínanie a zapínanie primárneho prúdu. Hoci tento nabijač pracoval dlhý čas dobre, elektrické kontakty postupne vyhoreli. To je dôvod, prečo sa uprednostňuje použitie triaku spojeného s riadiacimi obvodmi ako sú vypínacie a zapínacie časti v sérii s primárnym vinutím nabíjacieho zariadenia. Z tohto hladiska je komutácia vhodne kontrolovaná pri prechode nulou. V tom spočíva podstata prednostného použitia zdrojov prúdu, ktoré majú omnoho väčšie nabíjacie prúdy než doposial používané. Je pravda, že istý zvýšený prúdový impulz je možné dosiahnuť vypínaním na primárnej strane, avšak plný účinok vynálezu sa nedosiahne, pokial nie je maximálny prúd zvýšený na ovela vyššie hodnoty, než sú tieto normálne.

Pokusy s týmto vynálezom sa zaoberali v prvom rade automobilovými batériami, ktoré bolo možné lahko získať v rôznych stavoch neudržiavania. Jednako však existujú systémy, ktoré majú stále zapojené batérie, napr. batérie na napájanie telefónnej siete, núdzové systémy, atd., kde je ťažké vyriešiť problémy sulfatizácie a im podobné, predovšetkým problémy spojené s údržbou. Vynález tiež dáva možnosť úspor, zaistených v tomto prípade zlepšovaním údržby, a v nemalej miere zvýšením bezpečnosti týchto systémov používaných predovšetkým ako záložné systémy.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob nabíjania olovených akumulátorov zahrňujúci pripájanie premenného jednosmerného napätia z nabíjacej jednotky pre batérie, ktoré je schopné generovať plyn, vyznačujúci sa tým, že sa pripája jednosmerné napätie pre prívod prúdu v opakujúcich sa periódach prerušovaných prestávkami, v ktorých nie je privádzaný prúd, a ktoré majú trvanie v dĺžke medzi v podstate 0,5 sekundy až v podstate 10 sekundami.
2. 2. Spôsob podía nároku 1, vyznačujúci sa tým, že periódy privádzania prúdu a prestávky majú všeobecne rovnaké doby trvania.
3. 3. Spôsob podía nároku 2, vyznačujúci sa tým, že periódy privádzania prúdu a prestávky majú doby trvania 0,5 až 1,5 sekundy.
4. 4. Spôsob podía nároku 1 na udržiavanie nabitia plne nabitých batérií, vyznačujúci sa tým, že opakovane privádzané prúdové pulzy majú doby trvania nanajvýš jednu polovicu sekundy, zatiaí čo prestávky majú doby trvania 5 až 10 sekúnd.
5. 5. Spôsob podía nároku 1 na obnovovanie batérií, ktorých články sú v navzájom rozdielnych stavoch, vyznačujúci sa tým, že batéria sa niekoľkokrát nabíja, vybíja a nabíja, až kým nie sú všetky jej články zregenerované.
6. 6. Zariadenie na nabíjanie olovených akumulátorov obsahujúce transformátor s primárnym vinutím na pripojenie do hlavnej siete, so sekundárnym vinutím, s usmerňovačom pripojeným na sekundárne vinutie a s kladnou a zápornou svorkou určenou na pripojenie k nabíjanej batérii, vyznačujúce sa tým, že obsahuje automatický prerušovací prostriedok pripojený na primárny vodič pre opakujúce sa pripojenie a odpojenie hlavnej siete s krátkymi periódami nabíjania batérie, prerušovanými 0,5 až 10 sekundovými prestávkami, v ktorých nie je dodávaný prúd.
7. 7. Zariadenie podía nároku 6, vyznačujúce sa tým, že prerušovací prostriedok je prispôsobený na pripájanie a odpájanie hlavnej siete v časových periódach s v podstate rovnakými dobami trvania.
8. 8. Zariadenie podía nároku 6, vyznačujúce sa tým, že prerušovací prostriedok môže byť nastavený bud’ do stavu nabíjania batérie, v ktorom trvajú aktivačné časové periódy 0,5 až 10 sekúnd, alebo do stavu udržiavania batérie, v ktorom periódy udržiavacieho nabíjania majú maximálnu dobou trvania 0,5 sekundy.
9. 9. Zariadenie podía nároku 6, vyznačujúce sa tým, že prerušovací prostriedok obsahuje dvojcestný spínací polovodičový ventil, ktorý funguje ako jednopólový vypínač.
10. 10. Zariadenie podía jedného z nárokov 6 až 9, vyznačujúce sa tým, že transformátor má tri primárne vinutia určené na pripojenie k trojfázovej sieti; a prerušovací prostriedok je pripojený medzi trojfázovú sieť a transformátor v jednom z fázových vodičov.