Способ заряда аккумуляторной батареи

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 200280 (21) 2886053/24-07 151) М. КЛ. с присоединением заявки М -Н 01 М 10/44 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий. 16 (088. 8) Дата опубликования описания 30.10.81(54) СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ е относитка и можеслях проих и зкспле батареи я ко вторичнымбыть испольмышленности,уатирующих и аккумулятоИзобретен источникам т зовано в отр изготавливаю аккумуляторн рыИзвестен 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 1 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 тепловое равновесие между аккумулятороми окружающей средой. При этом температура аккумулятора становитсяблизкой к предельно допустимой, аток остается на сравнительно высокомуровне, что снижает качество заряда,которое проявляется в интенсивномгазовыделении, выплескивании электролита, снижении емкости и срокаслужбы аккумулятора 4.Известен также способ, согласнокоторому с целью ускорения процессазаряд осуществляют вначале повышеннымтоком, регулируемым в зависимости 15 от заданных значений скорости ростатемпературы электролита и скоростйгазовыделения, а прекращают зарядпосле получения аккумулятором заданных ампер-часов 5.20 Регулирование зарядного тока повышенной плотности по скорости ростатемпературы до установления отношения скорости газовыделения к зарядному току, равного 0,7-0,8, являетсянеэффективным, что обусловлено сле-дующими причинами, Повышение температуры в аккумуляторах, например,никель-кадмиевых или. никель-железныхпроисходит, в основном, за счет 30 джоулевого тепла, а тепловой эффектреакций на электродах близок к нулю.Рост температуры электролита начинается сразу после включения тока изамедляется .с увеличением разноститемператур между аккумулятором иокружающей средой вследствие повышения теплового потока в окружающуюсреду. Для поддержания постояннойскорости роста температуры необходимо увеличивать зарядный ток при наличии теплообмена с окружающей средойили поддерживать его постоянным пои10отсутствии теплообмена. Как извес но,одновременное действие повышенныхплотности тока и температуры приводит к снижению восприимчивости заряда электродами и к повышенному газовыделению. Переход на вторую стадиюзаряда выбран таким, при котором70-80 зарядного тока повышеннойплотности расходуется на газовыделение, что ведет к быстрому вымыванию 20активной массы, выплескиванию электролита.Согласно указанному способу навторой стадии заряда регулированиетока осуществляют по заданной скорости газовыделения, которую изменяютв 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 100.Темне менее, аккумулятору сообщают заданную зарядную емкость. Очевидно,что в заключительной стадии процесса не учитывают фактическую заряженность аккумулятора, что ведетк излишнему расходованию электроэнергии и бесполезному электролизуэлектролита. При регулировании зарядного тока по заданным скоростямроста температуры и газовыделениясоздаются благоприятные условйя для 45снижения качества заряда и интенсивного газовыделения даже при сравнительно высокой эффективности полезного использования зарядного тока,что вызывает высокую степень наполнения пористых электродов и сепарации выделяющимся газом. Это приводитк подъему уровня электролита и еговыплескиванию из аккумулятора, блокированию поверхности электродовгазом, повышенйю истинной плотноститока и еще большему газовыделению.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемйм результатамк предлагаемому является способ,согласно которому в процессе заряда 60контролируют состав выделяющегосягаза с помощью газоанализатора,определяют соотношение содержащихсяв нем кислорода и водорода и придостижении этим соотношением задан ного значения, установленного вдиапазоне 0 - 0,5, подают сигналрассогласования в зарядное устройство и обеспечивают регулирование зарядного тока, поддерживая это соотношение неизменным до полного зарядабатареи 61.Известно, что электрохимическиереакции на обоих электродах открытого аккумулятора протекают изолированно (не считая влияния конвекцииэлектролита и поглощения кислорода,растворенного в электролите, отрицательным электродом), не оказываявзаимного влияния на скорости основного и побочного процессов. Последние определяются температурой электролита и заряженностью активных материалов, При этом токи газовыделения, например, на отрицательныхэлектродах сильно зависят от конструкции и состава их активных материалов. Токи газовыделения существенно зависят также от температурыи величины зарядного тока, и, крометого, 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 бесконечностидо нуля, т.е. в значительно большемдиапазоне, чем указано выше. В первой половине заряда указанные соотношения могут принимать как близкиек нулю, так и во много раз большиезначения, что делает невозможнымприменение известного способа к раз.личным типам аккумуляторов.Кроме того, известный способ неучитывает раздельного состоянияположительных и отрицательных электродов, токов газовыделения на них,что,в свою очередь, ведет к интенсивному газовыделению, выплескиваниюэлектролита, снижает КПД заряда.В заключительной наиболее ответственной стадии заряда соотношениесодержания кислорода и водорода медленно стремится к 0,5, поэтому вэтот период оно является малоинформативным параметром управления. Темне менее, батарее сообщают заданноеколичество ампер-часов. Очевидно,что в заключительной стадии процессане учитывают фактическую заряженностьаккумулятора и его электродов, чтоведет к излишнему расходованию электроэнергии, бесполезному электролизуэлектролита и снижению срока службыбатареи,Таким образом, известный способзаряда вследствие неэффективностирегулирования по соотношению содержания кислорода и водорода приводитк перезаряду аккуМуляторов, интенсивному газовыделению, выплескиваниюэлектролита. Это свидетельствуетЪо низком КПД заряда, вызывает вымывание активной массы из электродов,снижение уровня электролита нижедопустимого, быстрое образование КЗчерез вымытую активную массу, находящуюся между электродами, что обусловливает дополнительный саморазрядчерез внешнюю цепь, образованнуюборнами и выплеснутым электролитом,коррозию батарейных ящиков, необходимость в трудовых и материальныхзатратах по регулярной очистке аккумуляторов и батарей от выплеснутого электролита после заряда, пониженные емкостные.характеристики и срокслужбы батарей, низкий КПД процессазаряда,Цель изобретения - повышение КПДзаряда и срока службы батареи.Поставленная цель достигаетсятем, что в процессе заряда контролируют токи газовыделения кислородаи водорода, сравнивают эти токи между собой и регулируют зарядный токпо большему значению тока газовыделения на соответствующем электродедо тех пор, пока разность между токами газовыделения не изменит знак,после чего регулирование зарядноготока осуществляют по току газовыделения на противоположном электроде.При этом регулирование зарядного тока осуществляют с коррекцией по меньшему току газовыделения, а заканчивают заряд тогда,когда разностимежду зарядным током и каждым из токов газовыделения достигнут заданныхзначений.На чертеже приведена структурнаясхема системы регулирования зарядного тока.Схема содержит задатчик 1, регулятор 2, зарядное устройство .3, блок4 измерения токов газовыделения, логический блок 5, аккумуляторную батарею б.Способ осуществляется следующимобразом.С помощью задатчика 1 устанавливают начальное значение зарядноготока в зависимости от исходных параметров аккумуляторной батареи, поступившей на заряд. В процессе зарядарегулятор 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 газопоглотительныхэлектродов, установленных в самомаккумуляторе или в его газоотводномустройстве, либо включающего расходомер и газоанализаторы кислорода иводородаСигналы об изменении токовгазовыделения кислорода и водородапоступают на вход логического блока5, который сравнивает их между собой. Регулирование зарядного тока осуществляется по большему значению тока газовыделения на соответствующемэлектроде. Электрический сигнал,пропорциональный этому току, с выхода логического блока 5 поступаетна один из входов регулятора 2. Дляповышения качества и КПД процессазаряда на обоих электродах коррекция зарядного тока выполняется посигналу, соответствующему току газовыделения на противоположном электроде, который поступает на другойвход регулятора 2. При изменениизнака разности между токами газовыделения логический блок 5 осуществляет соответствующее переключениесигналов управления, воздействующихна регулятор 2. Одновременно в процессе заряда блока 5 сравнивает зарядный ток с токами газовыделения20 кислорода и водорода. При достижении между током заряда и каждым иэтоков газовыделения заданных значенийразности прекращают заряд.Измерение токов выделения газар 5 на электродах во время заряда и регулирование зарядного тока по этимпараметрам улучшает точность и качество регулирования.Значительноповышает эффективность заряда осуществление коррекции по току выделения газа на противоположном электроде, что позволяет одновременноучитывать интенсивность газовыделения на обоих электродах аккумулятора.В процессе заряда не допускаютбольших скоростей газовыделения накаждом из электродов. Как известно,интенсивность газовыделения на различных электродах растет неодинаково, что приводит к изменению вели 40 чин токов газовыделения. Ограничениескоростей газовыделения достигаетсяпутем измерения токов газовыделенияна положительных и отрицательныхэлектродах, сравнения этих токов,45 нахождения большего из них по изменению знака их разности и регули"рования по большему току газовыделения. Это ослабляет вымывание активной массы, выплескивание электролита, 0 .повышает качество и КПД заряда исрок службы аккумуляторных батарей,Одной из основных задач в процессе заряда является выбор признакови определение конца заряда. Осуществление заряда до сообщения заданнойемкости ведет к перезаряду аккумулятора, излишнему газовыделению. Наи"более объективным и достовернымпризнаком окончания полезного процесса на электроде является достиже ние током газовыделения величины,близкой или равной величине зарядного тока. Окончание заряда при достижении токами газовыделения на отдельных электродах заданных значений 65 обеспечивает требуемую заряженность877657 Заряднаяемкостьаккумуляторной батареи,20 40 60 80 90 98 100 110 135 Зарядный ток Х 3, А 45 43 35 24 18 15 11 6,5 4,6 Ток выделения кислорода 1, , А 0 1,0 2,4 3,9 4,5О 2 5 4,1 4,1 4,5 Ток выделения водорода (2 0 0 0 0 0,2 5 5,5 6,0 4,6 0 +0,1 +2,4 +3,9 +4,3 0 -1,4 -1,9 -0,1 02 НЯ Формула изобретения аккумулятора, исключает перезаряд,а следовательно, снижает до минимума вымывание активной массы и потребность в доливке электролита и повышает срок службы аккумуляторной батареи.П р и м е р. 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 токаТак, при 80 зарядной емкости 1 О = 3,9 А, а 1 = 24 А, т.е. зарядный ток снижается на 21,0 Л по сравнению с начальным. Дальнейшее повышение заряженности аккумулятора приводит к образованию водорода на 40 кадмиевых электродах и быстрому росту тока его выделения (до этого момента разность (10 - 1 ) ) 0 и уп 2 2.равление зарядным током осущестэляется по 10 ). При появлении 1 вво дится коррекция по этому току, который вызывает дополнительное снижение величины зарядного токаНапример при 90 зарядной емкости 1), = щ 0,2 А, 102 = 4,5 А, 1 = 18 А. При 5 О достижении зарядной емкости 98 токи выделения кислорода и водорода становятся равны, а разность 1 О - 1(2 = а О. При дальнейшем заряде батареи1 -Н 2 О и последующее РегулироЭайие зарядного тока вйполняют по току выделения водорода, а коррекцию осуществляютпо 10 .Заряд заканчивают, когда раз- Ности между зарядным током и каждым нз токов газовыделения достигают эа данных значений (в рассматриваемом Примере не более 0,1 А) .Таким образом, предлагаемый способ заряда аккумуляторной батареи повышает эффективность, точность и 65 аккумулятора батареи 20 НКБН,равной 25 А ч, степенью заряженности20 и начальной температурой 26 ОСустанавливают начальное значениезарядного тока, равное 45 А. Дальнейший режим заряда аккумулятораприведен 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 электроэнергии, 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 щ и й с я тем что, с целью повышения срока службы батареи и КПД процесса заряда, измеряют токи газовыделения кислорода и водорода,877657 10 сравнивают эти токи между собой ирегулируют зарядный ток по большемузначению тока газовыделения на соответствующем электроде до тех пор,пока разность между токами газовыделения не изменит знак, после чегорегулирование осуществляют по токугазовыделения на противоположномэлектроде,при этом регулированиезарядного тока осуществляют с кор"рекцией по меньшему току гаървыделения и заканчивают заряд, когда разности между зарядным током и каждымиз токов газовыделения достигнут заданных значений. Составитель И. НайдинаТехред А.БабинецКорректор М По сноеССР Подп ого комитета ий и открыти Раушская наб Тираж 787 ВНИИПИ Государствен по делам изобрете 3035, Москва, Ж, Заказ 9628 79/5 л. Проектн тент, г город ал Редактор В. Пилипенко Источники информации,принятые во внимание при экспертиз1. Авторское свидетельство СССРР 423209, кл. Н. 01 М 10/44, 1972.2. Романов В,В Хащев Ю.М. Химические источники тока. " ффСоветское радио, М., 1978, с. 262.3. Авторское свидетельство СССРР 156207, кл, Н 01 М 10/48, 1962.4 Патент США Р 3852652,кл, Н 02 3 7/06, 1977.5, Авторское свидетельство СССРР 431589, кл. Н 01 М 10/44 1972.6, Авторское свидетельство СССРФ 657479, кл. Н 01 М 10/44, 1977.