Способ заряда аккумуляторной батареи

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 2002.80 (21) 2886053/24-07 (51) М КЛ с присоединением заявки ¹â€”

Н 01 M 10/44.

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет -.

Опубликовано 30.1081. Бюллетень № 40 (53) УДК621. 355. .16 (088.8) Дата опубликования описания. 301081 (72) Авторы изобретения

Г.П. Марченко, П.А ° Антоненко и Л.Н. Са

Днепропетровский химико-технологический им. Ф.3. Дэержинского (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОИ БАТАРЕИ

Изобретение относится ко вторичным источникам тока и может быть использовано в отраслях промышленности, изготавливающих и эксплуатирующих аккумуляторные батареи и аккумуляторы.

Известен способ заряда при постоянном напряжении, который является длительным и приводит к недозаряду батарей открытой конструкции в связи с резким уменьшением тока во второй половине заряда, что снижает разрядную емкость и надежность эксплуатации батарей (lj и (2).

В способах, реализующих регулирование зарядного тока по скорости газовыделения, основным недостатком является .повышенный зарядный ток как в начале, так и в конце заряда, что приводит к перегреву батарей, яижению КПД заряда и выплескиванию электрОлита, что, в свою очередь, снижает надежность эксплуатации и срок их службы (3).

Известны способ и система заряда, в которых управление процессом осуществляют по температуре аккумулятора и скорости ее роста. В такой системе ток заряда уменьшают до тех пор, пока не установится тепло- 30 вое равновесие между аккумулятором и окружающей средой. При этом температура аккумулятора становится близкой к предельно допустимой, а ток остается на сравнительно высоком уровне, что снижает качество заряда, которое проявляется в интенсивном газовыделении, выплескивании электролита, снижении емкости и срока службы аккумулятора (41.

Известен также способ, согласно которому с целью ускорения процесса заряд осуществляют вначале повышенным током, регулируемым в зависимости от заданных значений скорости Роста . температуры электролита и скоростй газовыделения, а прекращают заряд после получения аккумулятором заданных ампер-часов (5).

Регулирование зарядного тока повышенной плотности по скорости роста температуры до установления отношения скорости газовыделения к зарядному току, равного 0,7-0 8 является неэффективным, что обусловлено сле- дующими причинами. Повышение температуры в аккумуляторах, например, никель-кадмиевых или. никель-железных происходит, в основном, за счет джоулевого тепла, а тепловой эффект

877657 реакций на электродах близок к нулю.

Рост температуры электролита начинается сразу после включения тока и замедляется .с увеличением разности температур между аккумулятором и окружающей средой вследствие повышения теплового потока в окружающую реду. Для поддержания постоянной скорости роста температуры необходимо увеличивать зарядный ток при наличии теплообмена с окружающей средой или поддерживать его постоянным пои

10 отсутствии теплообмена. Как извес но, одновременное действие повышенных плотности тока и температуры приводит к снижению восприимчивости заряда электродами и к повышенному газовыделению. Переход на вторую стадию заряда выбран таким, при котором

70-80% зарядного тока повышенной плотности расходуется на газовыделение, что ведет к быстрому вымыванию 20 активной массы, выплескиванию электролита.

Согласно указанному способу на второй стадии заряда регулирование тока осуществляют по заданной скорос- 5 ти газовыделения, которую изменяют в зависимости от полученных аккумулятором ампер-часов, а прекращают заряд после получения аккумулятором заданных ампер-часов. Следовательно, реализуется программа изменения заданной скорости газовыделения от полученной емкости, при этом доля зарядного тока, идущего на газовыделение, растет, приближаясь к 100Ъ.Тем не менее, аккумулятору сообщают заданную зарядную емкость. Очевидно, что в заключительной-стадии процесса не учитывают фактическую заряженность аккумулятора, что ведет к излишнему расходованию электро- 40 энергии и бесполезному электролизу электролита. При регулировании зарядного тока по заданным скоростям роста температуры и газовыделения создаются благоприятные условйя для 41 снижения качества заряда и интенсивного газовыделения даже при сравнительно высокой эффективности по лезного использования зарядного тока, что вызывает высокую степень наполнения пористых электродов и сепарации выделяющимся газом. Это приводит к подъему уровня электролита и его выплескиванию из аккумулятора, блокированию поверхности электродов газом, повышенйю истинной плотности тока и еще большему газовыделению.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемйм результатам к предлагаемому является способ, согласно которому в процессе заряда 60 контролируют состав выделяющегося газа с помощью газоанализатора, определяют соотношение содержащихся в нем кислорода и водорода и при достижении этим соотношением задан- 65 ного значения, установленного в диапазоне 0 — 0,5, подают сигнал рассогласования в зарядное устройство и обеспечивают регулирование зарядного тока, поддерживая это соотношение неизменным до полного заряда батареи (6).

Известно, что электрохимические реакции на обоих электродах открытого аккумулятора протекают изолированно (не считая влияния конвекции электролита и поглощения кислорода, растворенного в электролите, отрицательным электродом), не оказывая взаимного влияния на скорости основного и побочного процессов. Последние определяются температурой электролита и заряженностью активных материалов. При этом токи газовыделения, например, на отрицательных электродах сильно зависят от конструкции и состава их активных материалов. Токи газовыделения существенно зависят также от температуры и величины зарядного тока, и, кроме того, отношение содержания кислорода Чо к содержанию водорода Ч,2, например, никель-кадмиевого (металлокерамические электроды) и никельжелезного аккумуляторов при их заряде изменяется, как показывает практика, в пределах от бесконечности до нуля, т.е. в значительно большем диапазоне, чем указано выше. В первой половине заряда указанные соотношения могут принимать как близкие к нулю, так и во много раз большие значения, что делает невозможным применение известного способа к различным типам аккумуляторов.

Кроме того, известный способ не учитывает раздельного состояния положительных и отрицательных электродов, токов газовыделения на них, что,в свою очередь, ведет к интенсивному газовыделению, выплескиванию электролита, снижает КПД заряда.

В заключительной наиболее ответственной стадии заряда соотношение содержания кислорода и водорода медленно стремится к 0,5, поэтому в этот период оно является малоинформативным параметром управления. Тем не менее, батарее сообщают заданное количество ампер-часов. Очевидно, что в заключительной стадии процесса не учитывают фактическую заряженность аккумулятора и его электродов, что ведет к излишнему расходованию электроэнергии, бесполезному электролизу электролита и снижению срока службы батареи.

Таким образом, известный способ заряда вследствие неэффективности регулирования по соотношению содержания кислорода и водорода приводит к перезаряду аккумуляторов, интенсивному газовыделению, выплескиванию электролита. Это свидетельствует

877657 о низком КПД заряда, вызывает вымывание активной массы из электродов, снижение уровня электролита ниже допустимого, быстрое образование К3 через вымытую активную массу, находя щуюся между электродами, что обусловливает дополнительный саморазряд через внешнюю цепь, образованную борнами и выплеснутым электролитом, коррозию батарейных ящиков, необходимость в трудовых и материальных затратах по регулярной очистке аккумуляторов и батарей от выплеснутого электролита после заряда, понижен ные емкостные.характеристики и срок службы батарей, низкий КПД процесса заряда.

Цель изобретения — повышение КПД заряда и срока службы батареи.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе заряда контролируют токи газовыделения кислорода и водорода, сравнивают эти токи между собой и регулируют зарядный ток по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде до тех пор, пока разность между токами газовыделения не изменит знак, после чего регулирование зарядного тока осуществляют по току газовыделения на противоположном электроде.

При этом регулирование зарядного тока осуществляют с коррекцией по мень шему току. газовыделения, а заканчивают заряд тогда, когда разности между зарядным током и каждым из токов газовыделения достигнут заданных значений.

На чертеже приведена структурная схема системы регулирования зарядного тока.

Схема содержит задатчик 1, регулятор 2, зарядное устройство .3, блок

4 измерения токов газовыделения, логический блок 5, аккумуляторную батарею 6.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью задатчика 1 устанавливают начальное значение зарядного тока в зависимости от исходных параметров аккумуляторной батареи, поступившей на заряд. В процессе заряда регулятор 2 вырабатывает регулирующее воздействие на зарядное устройство 3, изменяющее величину зарядного тока. Это происходит при изменении токов газовыделения на электродах, которые измеряют с помощью блока 4, состоящего, например, из вспомогательных газопоглотительных электродов, установленных в самом аккумуляторе или в его газоотводном устройстве, либо включающего расходомер и газоанализаторы кислорода и водорода ° Сигналы об изменении токов газовыделения кислорода и водорода поступают на вход логического блока

5, который сравнивает их между собой.

Регулирование зарядного тока осуществляется по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде. Электрический сигнал, пропорциональный этому току, с выхода логического блока 5 поступает на один из входов регулятора 2. Для повышения качества и КПД процесса заряда на обоих электродах коррекция зарядного тока выполняется по сигналу, соответствующему току газовыделения на противоположном электроде, который поступает на другой вход регулятора 2. При изменении знака разности между токами газовыделения логический блок 5 осуществляет соответствующее переключение сигналов управления, воздействующих на регулятор 2. Одновременно в процессе заряда блока 5 сравнивает зарядный ток с токами газовыделения

20 кислорода и водорода. При достижении между током заряда и каждым иэ токов газовыделения заданных значений разности прекращают заряд.

Измерение токов выделения газа

25 на электродах во время заряда и регулирование зарядного тока по этим параметрам улучшает точность и качество регулирования. Значительно повышает эффективность заряда осуществление коррекции по току выделения газа на противоположном электроде, что позволяет одновременно учитывать интенсивность газовыделения на обоих электродах аккумулятора.

В процессе заряда не допускают больших скоростей газовыделения на каждом из электродов. Как известно, интенсивность газовыделения на различных электродах растет неодинаково, что приводит к изменению вели40 чин токов газовыделения. Ограничение скоростей газовыделения достигается путем измерения токов газовыделения на положительных и отрицательных электродах, сравнения этих-токов, 45 нахождения большего из них по изменению знака их разности и регулирования по большему току газовыделения. Это ослабляет вымывание активной массы, выплескивание электролита, 0 .повышает качество и КПД заряца и срок службы аккумуляторных батарей.

Одной из основных задач в процессе заряда является выбор признаков и определение конца заряда. Осуществление заряда до сообщения заданной емкости ведет к перезаряду аккумулятора, излишнему газовыделению. Наиболее объективным и достоверным признаком окончания полезного процесса на электроде является достиже60 ние током газовыделения величины, близкой или равной величине зарядного тока. Окончание заряда при достижении токами газовыделения на отдельных электродах заданных значений

65 обеспечивает требуемую заряженность

877657

Зарядная емкость аккумуляторной батареи, Ъ

20 40 60 80 90 98 100 110 135

Зарядный ток Х3, A

45 43 35 24 18 15 11

6,5

4,6

Ток выделения кислорода Х,, A01,,0 2,,4 3,9 4,5

О2

5 4,1 4,1 4,5

Ток выделения водорода (2

0 О 0 О 0,2

5 5,5 6,0 4,6

0 +0,1 +2,4 +3,9 +4,3 О -1,4 -1,9 -0,1

02 Н2

Формула изобретения аккумулятора, исключает перезаряд,а следовательно, снижает до минимума вымывание активной массы и потребность в доливке электролита и повышает срок службы аккумуляторной батареи.

Пример. В соответствии с номинальной емкостью никель-кадмиевого

Как видно из данных таблицы, в начальной стадии. заряда ток выделения кислорода незначителен (1,0 А) и вызывает уменьшение величины зарядного тока на 2,0 А. Ток выделения водорода в первой половине заряда отсутствует. По мере заряда ток выделения кислорода растет и вызывает значительное уменьшение зарядного тока. Так, при 80% зарядной емкости 102 = 319A, à 19 = 24 А, т.е. зарядный ток снижается на 21,0 A по сравнению с начальным. Дальнейшее повышение заряженности аккумулятора приводит к образованию водорода на 4О кадмиевых электродах и быстрому росту тока его выделения (до этого момента разность (10 — I> ) ) 0 и уп2 2. равление зарядным током осущестэляется по 10 ). При появлении Ig вво- 45 дится коррекция по этому току, который вызывает дополнительное снижение величины зарядного тока. Например> при 90% зарядной емкости I>< =

0,2 A 102 = 4,5 А, 1 = 18 A При достижении зарядной емкости 98В токи выделения кислорода и водорода становятся равны, а разность ?0 — I 2 =

О. При дальнейшем заряде батареи

<О и последующее Регулиро- 55

Эайие зарядного тока вйполняют по току выделения водорода, а коррекЦию осуществляют по Ig .

Заряд заканчивают, когда раз ности между зарядным током и каждым из токов газовыделения достигают эа- 60 данных значений (в рассматриваемом

Примере не более 0,1 A) .

Таким образом, предлагаемый способ заряда аккумуляторной батареи повышает эффектйвность, точность и 65 аккумулятора батареи 20 НКБН-25, равной 25 А ч, степенью заряженности

20% и начальной температурой 26ОC устанавливают начальное значение зарядного тока, равное 45 А. Дальнейший режим заряда аккумулятора приведен в таблице. качество регулирования в процессе заряда, снижает вымывание активной массы из электродов, дополнительный саморазряд через внешнюю цепь, образованную борнами и выплеснутым электролитом, коррозию батарейных ящиков и потребность в регулярной очистке аккумуляторов от выплеснутого электролита после заряда и доливке в них электролита, позволяет по объектив,ным параметрам определять окончательные заряда, исключает перезаряд батареи.

Предлагаемый способ легко реализовать на стандартных элементах и приборах электроавтоматики, например с помощью электрической унифицированной системы приборов автоматического регулирования Каскад, что не требует больших материальных затрат.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа может быть получен за счет повышения КПД заряда, снижения затрат электрбэнергии, сокращения времени на обслуживание аккумуляторных батарей после заряда, повышения надежности эксплуатации и срока службы.

Способ заряда аккумуляторной батареи, например, никель-кадмиевой путем регулирования зарядного тока

<в зависимости от газовыделения и состава выделяющегося газа, о т л ич а ю шийся тем„ что, с целью повышения срока службы батареи и

КПД процесса заряда, измеряют токи газовыделения кислорода и водорода, 877657

Составитель И. Найдина

Техред A.Бабинец

Корректор М Пожо

Редактор В. Пилипенко

Тираж 787 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

«й

Заказ 9628/79

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, Ул. Проектная, 4 сравнивают эти токи между собой и регулируют зарядный ток по большему значению тока газовыделения на соответствующем электроде до тех пор, пока разность между токами газовыделения не изменит знак, после чего регулирование осуществляют по току газовыделения на противоположном электроде,при этом регулирование зарядного тока осуществляют с коррекцией по меньшему току газ@выделения и заканчивают заряд, когда разности между зарядным током и каждым из токов газовыделения достигнут заданных значений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертиз

1. Авторское свидетельство СССР

Р 423209, кл. Н. 01 М 10/44, 1972.

2. Романов В.В., Хащев Ю.М. Химические источники тока. — Советское радио, М., 1978, с. 262.

3. Авторское свидетельство СССР

9 156207, кл. Н 01 М 10/48, 1962.

4.. Патент США Р 3852652, кл, Н 02 J 7/06, 1977.

5. Авторское свидетельство СССР

Р 431589, кл. Н 01 M 10/44, 1972.

6. Авторское свидетельство СССР

9 657479, кл. Н 01 М 10/44, 1977.