Способ ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Заряд осуществляется без предварительного доразряда асимметричным током со стабилизированными амплитудами анодного и катодного токов, подачей на аккумулятор одного зарядного импульса с амплитудой анодного тока 2,0±0,3 от номинальной емкости и длительностью (210±10) мс и двух следующих за ним через паузу (2÷3) мс разрядных импульсов. Длительность катодных импульсов (8÷12) мс каждого с паузой между этими импульсами (5÷6) мс при соотношении амплитуд катодного и анодного токов 4±0,5, с паузой между вторым разрядным и следующим зарядным (2÷3) мс за время 60÷80 мин с окончанием заряда при изменении знака первой производной напряжения (dU/dt) или при достижении на аккумуляторной батареи конечного напряжения. Технический результат изобретения: сокращение времени заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с сохранением их технико-эксплуатационных свойств. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и касается вопроса ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.

Известны ускоренные режимы заряда никель-кадмиевых аккумуляторов, позволяющие заряжать их разнополярными импульсами.

Способ [1] быстрого заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами импульсов анодного и катодного тока, при отношении амплитуд разрядного к зарядному импульсов 6,9±0,1, с амплитудами зарядного импульса 2,5÷3 от номинальной емкости при длительности анодного импульса (200±10) мс и катодного импульса (10±0,5) мс с паузами между ними (10±1) мс за время, равное 35÷27,5 минут.

При данном способе заряда возможно газовыделение для отдельных элементов, что ограничивает их применение для заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Способ [2] позволяет заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи без предварительного доразряда со стабилизированными амплитудами зарядного и разрядного токов при соотношении 3,0±0,2, с амплитудами зарядного тока 1,2÷0,8 от номинальной емкости при длительности зарядного импульса (230±10) мс и разрядного импульса (15±5) мс с паузами между ними 0÷2 мс с прекращением заряда по достижению напряжения на батарее порогового значения. Однако данный способ не позволяет заряжать аккумуляторные батареи за время, меньшее, чем 1,5 часа, из-за перегрева, появления газовыделения и уменьшения отдаваемой емкости.

Задачей изобретения является разработка режима ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с сохранением их технико-эксплуатационных характеристик, без доразряда. Окончание заряда при этом определяется по изменению знака первой производной напряжения или при достижении напряжения на аккумуляторной батарее конечного значения, что исключает перезаряд и преждевременный износ аккумуляторной батареи.

Решение задачи достигается тем, что в известный способ [2] ускоренного заряда аккумуляторных батарей разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами импульсов зарядных и разрядных токов введены изменения, позволяющие производить заряд ускоренными режимами без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик и без предварительного доразряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей за время 60-80 мин.

Заряд осуществляется асимметричным током со стабилизированными амплитудами импульсов анодного и катодного токов в автоматическом режиме без предварительного доразряда, подачей на аккумуляторную батарею одного зарядного импульса с амплитудой анодного тока 2,0±0,3 от номинальной емкости и длительностью (210±10) мс и двух следующих за ним через паузу (2÷3) мс разрядных импульсов длительностью (8÷12) мс каждый с паузой между этими импульсами (5÷6) мс при соотношении амплитуд импульсов катодного и анодного токов 4±0,5, с паузой между вторым разрядным и следующим зарядным (2÷3) мс за время 60÷80 мин с окончанием заряда при изменении знака первой производной напряжения (dU/dt) или при достижении на аккумуляторной батареи конечного напряжения.

На чертеже приведена форма импульсов при заряде аккумуляторной батареи, где I₁ - амплитуда анодного импульса, I₂ - амплитуда катодного импульса, t₁ - длительность анодного импульса, t₂ - длительность паузы между анодным и первым катодным импульсом, t₃ - длительность первого отрицательного импульса, t₄ - длительность паузы между катодными импульсами, t₅ - длительность второго катодного импульса, t₆ - длительность паузы между вторым катодным и анодным импульсом. Приведенные на чертеже зарядные и разрядные импульсы для удобства иллюстрации изображены прямоугольными, однако ясно, что на практике это редко реализуется. Поэтому следует понимать, что согласно настоящему изобретению импульсы могут быть прямоугольными, но это не обязательно.

Для апробации данного режима были взяты девять аккумуляторных батарей 6НКГЦ-0.94, находящихся в эксплуатации. Для определения текущего состояния и снятия разрядной емкости батареи подвергли циклированию режимом, указанным в технических условиях (ТУ) на данную батарею (ИРАС 563521.015). Полученные в результате проведения испытаний значения разрядной емкости аккумуляторных батарей в нормальных климатических условиях соответствуют требованиям ТУ, то есть аккумуляторные батареи являются годными.

Испытания проводили для подтверждения возможности заряда аккумуляторных батарей предлагаемым режимом за время 60÷80 мин, при этом отдаваемая емкость должна быть не менее чем при заряде двумя вышеуказанными режимами и при циклировании не будут ухудшены технико-эксплуатационные характеристики. Были проведены следующие испытания. Аккумуляторные батареи заряжали разными средними токами за разное время. Девять аккумуляторов разбили на три группы по три аккумулятора. Каждую группу заряжали одним из трех режимов. Первую группу аккумуляторных батарей (№1, №2 и №3) заряжали на постоянном токе 0,235 А (0.3 Сн) за 4 ч режимом, указанным в ТУ на данную батарею, вторую группу (№4, №5 и №6) заряжали режимом, указанным в литературе [2], средним током 0,626 А за время 1.5 ч, а третью группу (№7, №8 и №9) заряжали предлагаемым режимом средним током 0,94 А за время 1 ч, при этом амплитуда зарядного импульса (1.8±0.1) А, соотношение катодного к анодному току 4,2, длительность анодного импульса 210 мс, первого и второго катодного импульса 10 мс каждый, пауза между зарядным и разрядными импульсами 2 мс, пауза между разрядными импульсами 5 мс, пауза между вторым разрядным импульсом и следующим зарядным импульсом 2 мс. При заряде фиксировали количество электричества, затраченное на заряд кулонометром Х603 (на всех режимах каждой аккумуляторной батарее сообщали одинаковую емкость, равную 0,94 А·ч). Все аккумуляторные батареи разряжали постоянным током 0,194 А (0,2 Сн) до конечного напряжения 6 В и определяли разрядную емкость.

В процессе испытаний измерялись следующие величины: время заряда и разряда аккумуляторной батареи τ_з, τ_р; количество электричества, затраченное или полученное на постоянном и асимметричном токе; средний зарядный и разрядный ток I_з, I_р; конечное напряжение при разряде U_к.р.. Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
Результаты циклирования аккумуляторных батарей 6НКГЦ-0.94
Номер Циклов	Аккумуляторы, заряжаемые постоянным током.	Аккумуляторы, заряжаемые режимом, указанным в литературе [2].	Аккумуляторы, заряжаемые предлагаемым режимом
	Разрядная емкость 1,2 и 3 аккумулятора (А·ч).	Qcp.ц (А·ч)	Разрядная емкость 4, 5 и 6 аккумулятора (А·ч).	Qcp.ц (А·ч)	Разрядная емкость 7, 8 и 9 аккумулятора (А·ч).	Qcp.ц (А·ч)
№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7	№8	№9
1	0,9	0,89	0,9	0,89	0,91	0,9	0,91	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
2	0,9	0,89	0,89	0,89	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
3	0,89	0,89	0,89	0,89	0,89	0,9	0,89	0,89	0,89	0,9	0,88	0,89
4	0,9	0,88	0,87	0,88	0,89	0,88	0,9	0,89	0,88	0,89	0,88	0,88
5	0,89	0,89	0,88	0,88	0,9	0,9	0,88	0,89	0,88	0,89	0,87	0,88
6	0,9	0,9	0,88	0,89	0,89	0,9	0,9	0,89	0,9	0,9	0,89	0,89
7	0,87	0,9	0,89	0,88	0,9	0,89	0,9	0,89	0,89	0,9	0,89	0,89
8	0,9	0,87	0,87	0,88	0,9	0,91	0,89	0,9	0,89	0,89	0,9	0,89
9	0,87	0,87	0,88	0,87	0,89	0,9	0,9	0,89	0,9	0,89	0,88	0,89
10	0,87	0,88	0,88	0,87	0,9	0,89	0,9	0,89	0,89	0,89	0,89	0,89
Qcp (средняя емкость за 10 циклов)	0,88			0,89		0,89
Контрольный цикл
11	0,93	0,93	0,92	0,92	0,93	0,93	0,93	0,93	0,93	0,93	0,93	0,93

Как видно из таблицы, средняя разрядная емкость за 10 циклов на аккумуляторных батареях №1, №2 и №3 составила 0,88 А·ч, на аккумуляторных батареях №4, №5 и №6 составила 0,89 А·ч, и на аккумуляторных батареях №7, №8 и №9 составила 0,89 А·ч. При заряде предлагаемым режимом нагрев в конце заряда отсутствует. Сравнение результатов эксперимента позволяет утверждать, что средняя отданная емкость для трех групп аккумуляторных батарей приблизительно одинакова, то есть предлагаемый режим позволяет заряжать аккумуляторные батареи за меньшее время с сохранением технико-эксплуатационных характеристик. После десяти циклов испытаний провели контрольный цикл по ТУ (ИРАС 563521.015) на данную аккумуляторную батарею, согласно которому разрядная емкость на всех девяти аккумуляторных батареях приблизительно одинакова и соответствует ТУ.

Для исследования предлагаемого режима провели еще серию испытаний.

С целью подтверждения, что отданная емкость при заряде предлагаемым режимом больше, чем при заряде на постоянном токе, шесть аккумуляторных батарей разбили на две группы по три штуки, первую группу (№1, №2 и №3) заряжали постоянным током 0,94 А за 1 ч, а вторую (№4, №5 и №6) - асимметричным по предлагаемому режиму средним током 0,94 А за 1 ч. Режим, описанный в литературе [2], не использовался, так как не предусматривает заряд менее 1,5 ч. Для шести аккумуляторных батарей 6НКГЦ-0.94 наработка составила 30 циклов. Анализ результатов позволяет утверждать, что суммарная разрядная емкость при заряде предлагаемым режимом больше, чем при заряде на постоянном токе на 20%.

Проведены ресурсные испытания. Цель испытаний состояла в том, чтобы показать, что отданная емкость при заряде на предлагаемом режиме, после проведения 450 заряд-разрядных циклов будет не меньше, чем в ТУ на данную аккумуляторную батарею, т.е. заряд предлагаемым режимом проходит без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик. Для исследования на долговечность выбрали три аккумуляторных батареи 6НКГЦ-0.94, находящихся в эксплуатации. Испытания на долговечность проходили при нормальных климатических условиях, заряд осуществлялся предлагаемым режимом со средним током заряда 0,94 А за 1 ч. Разряд осуществлялся током 0,188 А до U_к=6 В. Наработка заряд-разрядных циклов при заряде только этим способом составила 450 циклов для каждой батареи, а отдаваемая емкость на 450 цикле для каждой аккумуляторной батареи составила около 0,8 А·ч, что выше нижнего порогового значения 0,6 Сн, т.е. аккумуляторные батареи не выработали свой ресурс.

Таким образом, предлагаемый режим позволяет сократить время заряда до 60÷80 мин без разогрева и без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик. Два разрядных импульса, следующих друг за другом с паузой между ними, способствуют более эффективному снижению дендридообразования, снятия заряда с поверхности электрода и более равномерному распределению тока по глубине электрода, что дает возможность увеличить амплитуду анодного импульса и соответственно сократить время заряда с сохранением технико-эксплуатационных характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Величины и соотношения амплитуд анодного и катодного тока выбраны для получения наилучшего распределения тока по глубине электрода при минимальном нагреве за наименьшее время заряда. Длительность паузы между зарядными и разрядными импульсами выбрана из соображения переходных процессов в коммутируемой цепи, а время паузы между разрядными импульсами для более равномерного распределения тока - по глубине электрода.

При циклировании батарей, указанных выше, отданная емкость была не ниже чем в ТУ на данные батареи, что подтверждает правильный выбор данного режима.

Результаты испытаний показали, что использование предлагаемого способа ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей позволяет сократить время заряда и увеличить срок их службы.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1048536, Н 01 М 10/44, бюл. №38 от 15.10.83.

2. Патент РФ №2207665, 7 Н 01 М 10/44, Н 02 J 7/00, бюл. №18 от 27.06.2003.

Способ ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током со стабилизированными амплитудами импульсов анодного и катодного токов в автоматическом режиме без предварительного доразряда, отличающийся тем, что заряд осуществляется подачей на аккумулятор одного зарядного импульса с амплитудой анодного тока 2,0±0,3 от номинальной емкости и длительностью (210±10) мс и двух следующих за ним через паузу (2÷3) мс разрядных импульсов длительностью (8÷12) мс каждый с паузой между этими импульсами (5÷6) мс при соотношении амплитуд импульсов катодного и анодного токов 4±0,5, с паузой между вторым разрядным импульсом и следующим зарядным импульсом (2÷3) мс за время (60÷80) мин с окончанием заряда при изменении знака первой производной напряжения (dU/dt) или при достижении на аккумуляторной батарее конечного напряжения.