Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током
Владельцы патента RU 2410800:
Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") (RU)
Использование: в электротехнике, для сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Сущность изобретения: поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторов ведут стабилизированным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительностях зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, с амплитудами зарядного импульса, численно равными 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первых циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости. Технический результат - сокращение числа заряд-разрядных циклов формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования и восстановления емкости химических источников тока, и может быть использовано для формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей перед вводом в эксплуатацию при изготовлении и после длительного хранения.
Известен способ заряда и восстановления аккумулятора [Патент РФ №2226019, H01M 10/44, 2002], в котором заряд аккумулятора проводят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты. Частоту импульсов, составляющих зарядный импульс, выбирают в пределах 3÷30 КГц. Импульсы тока высокой частоты приводят к механической вибрации аккумулятора с такой же частотой, что интенсифицирует электрохимические процессы, улучшает доступ электролита к активной массе электродов, улучшает условия движения газов для осуществления процесса рекомбинации. Благодаря импульсам разряда происходит измельчение крупнокристаллических структур на поверхностях элементов аккумулятора, чему способствуют и возникающие в аккумуляторе механические колебания. Однако при данном способе возможны механические повреждения активной массы и основы электродов. Кроме того, формирование зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты приводит к увеличению амплитудных значений токов, что увеличивает газообразование и омические потери в батарее.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату является способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током [Патент РФ №2313864, H01M 10/44; H02J 7/10, 2006], в котором с целью сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых батарей формирование и восстановление емкости проводят заряжая аккумуляторные батареи асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 220±20 мс и разрядного импульса 15±5 мс с паузами между ними 0÷2 мс. Амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,6 от номинальной емкости. Процесс заряда прекращают при сообщении аккумулятору 120÷150% номинальной емкости, что прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов. Это приводит к снижению прироста разрядной емкости от цикла к циклу и, как следствие, к увеличению числа зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора номинальной емкости, т.е. увеличивается общее время формирования и восстановления емкости.
Задачей заявленного изобретения является сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей за счет сокращения числа заряд-разрядных циклов.
Поставленная задача решается тем, что в известный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда аккумулятора разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при отношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, введены новые признаки: амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата - сокращение числа заряд-разрядных циклов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что амплитуду зарядного импульса увеличивают до значения, равного 0,8 от номинальной емкости, что дает возможность вести заряд закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей асимметричным током повышенной плотности. Заряд на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 250÷500% номинальной емкости. Заряд на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 120÷250% номинальной емкости. Сообщение аккумулятору на первом цикле формирования и восстановления зарядной емкости менее 250% номинальной емкости прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов, что снижает прирост разрядной емкости на последующих циклах. Сообщение аккумулятору свыше 500% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору на последующих циклах формирования и восстановления емкости ниже 120% номинальной емкости не дает прироста разрядной емкости. Сообщение аккумулятору свыше 250% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору и аккумуляторной батарее на первом цикле зарядной емкости в выбранных пределах создает условия непрерывности процесса преобразования активной массы, а выбранные пределы сообщения зарядной емкости на последующих циклах создают эффект увеличения прироста разрядной емкости от цикла к циклу, вследствие чего число зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора аккумулятором и аккумуляторной батареей номинальной емкости, сокращается. Введение новых признаков позволяет получить эффект, который предусмотрен в задаче, а именно: сократить общее время, необходимое для набора аккумулятором номинальной емкости.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники.
Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его исполнения, конкретных формах его материального воплощения либо особых условиях его использования, а именно: заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.
За счет реализации совокупности признаков, указанных в предложенном техническом решении, обеспечивается значительное сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей.
Заявленный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током проверяли на четырех группах аккумуляторов (по три аккумулятора в каждой группе) номинальной емкостью 20 А·ч при формировании свежеизготовленных аккумуляторов - группа один (аккумуляторы №1, №2 и №3) и группа два (аккумуляторы №4, №5 и №6); при восстановлении емкости аккумуляторов после длительного хранения - группа три (аккумуляторы №7, №8 и №9) и группа четыре (аккумуляторы №10, №11 и №12).
Формирование емкости первой группы аккумуляторов в количестве трех штук (№1, №2, №3) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 450% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости первой группы аккумуляторов представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||
| Результаты формирования емкости аккумуляторов №1, №2, №3 | |||||||
| №№ циклов | Заряд | Разряд | |||||
| Ток, А | Сзаряда, А·ч | Ток, А | Сразряда, А·Ч | ||||
| №1 | №2 | №3 | Сср | ||||
| 1 | 10 | 90 | 10 | 13,20 | 14,27 | 13,92 | 13,80 |
| 2 | 10 | 40 | 10 | 17,51 | 16,69 | 18,03 | 17,41 |
| 3 | 10 | 40 | 10 | 19,51 | 21,75 | 20,01 | 20,42 |
Формирование емкости второй группы аккумуляторов в количестве трех штук (№4, №5, №6) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах формирования прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 A до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости второй группы аккумуляторов представлены в таблице 2.
Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа формирования емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в трехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов формирования по сравнению со способом-прототипом.
Восстановление емкости третьей группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№7, №8, №9), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного
| Таблица 2 | |||||||
| Результаты формирования емкости аккумуляторов №4, №5, №6 | |||||||
| №№ циклов | Заряд | Разряд | |||||
| Ток, А | Сзаряда, А·ч | Ток, А | Сразряда, А·Ч | ||||
| №4 | №5 | №6 | Сср | ||||
| 1 | 8 | 30 | 10 | 9,01 | 9,86 | 10,11 | 9,66 |
| 2 | 8 | 30 | 10 | 11,53 | 10,90 | 10,25 | 10,89 |
| 3 | 8 | 30 | 10 | 10,35 | 11,29 | 11,83 | 11,16 |
| 4 | 8 | 30 | 10 | 11,21 | 12,43 | 12,75 | 12,13 |
| 5 | 8 | 30 | 10 | 13,46 | 13,95 | 14,18 | 13,86 |
| 6 | 8 | 30 | 10 | 14,57 | 15,13 | 15,79 | 15,16 |
| 7 | 8 | 30 | 10 | 16,52 | 18,64 | 19,61 | 18,26 |
| 8 | 8 | 30 | 10 | 18,04 | 19,51 | 19,95 | 19,17 |
| 9 | 8 | 30 | 10 | 19,16 | 20,18 | 20,81 | 20,05 |
импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 250% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №7 - 15,47 А·ч, аккумулятора №8 - 17,25 А·ч, аккумулятора №9 - 16,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | |||||||
| Результаты восстановления емкости аккумуляторов №7, №8, №9 | |||||||
| №№ циклов | Заряд | Разряд | |||||
| Ток, А | Сзаряда, А·ч | Ток, А | Сразряда, А·ч | ||||
| №7 | №8 | №9 | Сср | ||||
| 1 | 10 | 50 | 10 | 20,21 | 20,68 | 20,36 | 20,42 |
| 2 | 10 | 40 | 10 | 20,38 | 20,89 | 20,44 | 20,57 |
Восстановление емкости четвертой группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№10, №11, №12), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах восстановления емкости прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №10 - 16,10 А·ч, аккумулятора №11 - 15,25 А·ч, аккумулятора №12 - 17,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 4.
| Таблица 4 | |||||||
| Результаты восстановления емкости аккумуляторов №10, №11, №12 | |||||||
| №№ циклов | Заряд | Разряд | |||||
| Ток, А | Сзаряда, А·ч | Ток, А | Сразряда, А·ч | ||||
| №10 | №11 | №12 | Сср | ||||
| 1 | 8 | 30 | 10 | 18,01 | 18,86 | 17,11 | 17,99 |
| 2 | 8 | 30 | 10 | 18,93 | 19,31 | 18,25 | 18,83 |
| 3 | 8 | 30 | 10 | 19,35 | 20,19 | 19,83 | 19,79 |
| 4 | 8 | 30 | 10 | 20,15 | 20,95 | 20,24 | 20,45 |
Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа восстановления емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в четырехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов восстановления емкости по сравнению со способом-прототипом.
Предлагаемый способ может быть реализован и в частном случае (в зависимости от типа аккумуляторов), когда заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.
1. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷10 мс с паузами между ними 0÷2 мс, отличающийся тем, что амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первых циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зарядный и разрядный импульсы асимметричного тока каждый состоят из последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения среднего значения разрядного импульса асимметричного тока к среднему значению зарядного импульса асимметричного тока.
