Способ заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления

С ото з. Советск миСоциалистическихРеспублик О П И С А Н И Е (п)886140ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Дополнительное к авт. свил-ву М. Кл. 33) Приоритет Опублико ио и изабретеиий открытий ано 30.11.8. Бюллетень ЗЧЬ ттттликования описания 30.11.81 УДК 671,3163.В. Козелков .П. Денисенк Сибирский металлургический институт(5 Й) СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИ з з Р Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам для заряда герметичных аккумуляторов.Известен способ заряда аккумуляторных батарей, при котором после фазы интенсивного заряда постоянной величиной тока при достижении определенного напряжения батареи продолжают заряд импульсным током. Во время второй фазы заряда, когда превыо шается указанная величина напряжения, аккумулятор выдерживают определенное время, после чего осуществляют заряд импульсным током 11 1.15Недостатками указанного способа являются невозможность его применения для заряда некоторых типов аккумуляторных батарей (например, герметичных) из-за большой величины то 20 ка в конце заряда,цто приводит к преждевременному повреждению аккумуляторов, а также необходимость отключения батареи на некоторое время при превышении определенной величины напряжения, в результате чего увеличивается время заряда батареи.Известен также способ,заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале заряд производят сильным током до заданного напряжения, а затем батарею заряжают неизменными по уровню импульсами тока, и, таким обра-, ом, осуществляют дозаряд в течение, аданного времени, по истечении котоого импульс заряда отключают, е в паузах измеряют напряжение покоя и сравнивают с эталонным напряжением, импульсный Заряд прекращают при достижении в период установленного времени напряжения покоя батареи величины, не ниже эталонного напряжения Г 2 1.Недостатком данного способа является необходимость отключения батареи от зарядного устройства в конце заряда. Кроме того, осуществляется контроль по шести параметрам:, по на886340 50 55 пряжению, до которого проводится за" ряд большим током, по неизменной величине импульсного тока, по длитель ности импульса тока, по длительности паузы, по длительности измерения напряжения покоя и по неизменной величине эталонного напряжения, Неизменная величина импульсов тока и их длительность в зависимости от физи-. ческого состояния аккумуляторной батареи может привести при заряде к повышенному выделению газа и, вследствие этого, к сокращению срока службы аккумуляторов, особенно герметичных,Известен также способ заряда аккумуляторной батареи, который включает фазу быстоого заряда, во время которой напряжение батареи возрастает до величины, обеспечивающей закипание электролита, и медленную фазу определенной длительности. Кроме того,процесс заряда содержит промежуточную. фазу, в течение которой происходит изменение тока от уровня, обеспечивающего быстрый заряд до уровня токамедленного заряда. Длительность промежуточного этапа определяется двумявеличинами напряжения, соответствующими указанным плотностям тока заряда 31.Недостатком указанного способа является невозможность осуществления быстрого и полного заряда аккумуляторов без отключения их от зарядного устройства в конце заряда. Если же устройство вовремя не отключить, то . аккумуляторы, особенно герметичные, выйдут из строя.Наиболее близким к предлагаемому является способ заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале батарея заряжается номинальным зарядным током до достижения определенного значения напряжения на каждом элементе, после чего заряд осуществляют при постоянном напряжении вплоть до флотирующего режима 41.Известно устройство для автоматического заряда аккумуляторной батареи, обеспечивающее получение нескольких режимов заряда. В первом режиме батарея заряжается выпрямленным неизменным током, Когда напряжение на зажимах аккумуляторной батареи доходит до величины, составляющей определенную часть напряжения полного заряда, схема переводится во второй режим заряда, характеризуемый 1 О 15 2 о 25 зо 4 О 45 4уменьшенным током и скоростью заряда, В третьем режиме, которой обеспечивается схемой, по достижении напряжения на зажимах батареи опреде" ленного промежуточного значения, заряд осуществляется нестабилизированным выпрямленным током до получения на зажимах батареи максимального напряжения. Далее схема переводится в четвертый режим дозового подзаряда батареи ограниченным током5 .Однако устройство имеет сложное схемное решение и осуществляет переключение с режима на .режим в процессе заряда только в зависимости от уровня напряжения на зажимах аккумуляторной батареи, что не всегда обеспечивает сохранность аккумуляторов.Известно устройство, обеспечивающее быстрый заряд аккумуляторных батарей, содержащее источник постоянного тока, с которым батарея связана через первый выключатель, регулятор то. - ка и второй выключатель, термостабилизированный датчик, связанный со вторым выключателем и реагирующий на напряжение батареи в процессе заряда, нагрузку, связанную с аккумуляторной батареей через третий выключатель, датчик тока и датчик напряжения нагрузки, термостабилизированные чувствительным элементом, схему, которая управляет датчиком, вторым и третьим выключателями и содержит полупроводниковые стабилитроны, тиристор, электромагнитные реле, хронирующую В 0-цепь Гб .Аккумуляторная батарея заряжается большим током до определенного со- , стояния, отключается от источника постоянного тока и затем заряжается через нагрузку большим током в течение короткого времени. Состояние батареи . определяется конечным напряжением в процессе заряда, внутренним давлением или температурой батареи. Эти параметры связаны между собой и зависят от температуры окружающей среды. Данное устройство требует определенных условий (например, температура окружающей среды), при которых производится заряд аккумуляторной батареи, для того, чтобы осуществить полный заряд и обеспечить сохранность аккумуляторов. Кроме того, наличие электромагнитных реле и большого количества элементов снижает надежность работы схемы.на зарядного тока перестанет достигать уровня Э . При этом напряжениезаряда останется на нижнем стабилизированном уровне и процесс переходит в фазу подзаряда низким стабилизированным напряжением. В этой фазебатарея может оставаться в подключенном состоянии продолжительное вре"мя.Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит регулирующий транзистор 1, последовательно сним включенный в зарядную цепь резистор 2, транзистор 3 и тразистор 4,резистор 5 и параллельно ему подключенную цепочку 6 из диода 7, зашунтированного конденсатором 8 и резистором 9, стоящие в цепи коллекто"ра транзистора 3, источник 10 опорного напряжения, подключенный параллельно источнику 11 питания и содер-,жащий последовательно соединенные резисторы 12 и 13, стабилитрон 14 икремниевый диод 15, диоды 16 и 17,связывающие источник 10 опорного напряжения с коллектором транзистора 1 и с цепочкой 6, диоды 18 и 19,связывающие эмиттер транзистора 4 сколлектором транзистора 1, цепочку 20, шунтирующую аккумуляторнуюбатарею 21 и содержащую последовательно соединенные диод 22 и резистор 23, общая точка которых подклю чена к эмиттеру транзистора 4.Устройство работает следующим образом.При подаче напряжения от источника 11 питания, транзисторы 4, 3и 1 открываются, и по зарядной цепиначинает протекать ток. Если акку"муляторная батарея разряжена, то зарядный ток ограничивается с помощьюрезистора 2 и диодов 18 и 19, черезкоторые на эмиттер транзистора 4 поступает положительный потенциал,Степень ограничения зарядного токазависит от величины сопротивлениярезистора 2.По мере заряда, напряжение на ак. кумуляторной батарее 21 повышаетсяи достигает уровня О,г, обусловленноГо величиной опорного напряженияна базе транзистора 4, которое стабилиэировано с помощью стабилитрона 14и кремниевого диода 15. Дальнейшийзаряд производится при постоянномуровне этого напряжения,Во время заряда батареи постояннымнапряжением. ток заряда снижается. Сни жение зарядного тока вызывается всебольшим запиранием транзисторов 4,3 и 1, При запирании транзистора 3положительное напряжение на его кол"лекторе уменьшается и в некоторый момент времени, когда ток заряда снизится до уровня 3 = (0,5-0 7) 2этого напряжения становится недоста-.точно, чтобы полностью запереть германиевый диод 17, который начинаетпропускать ток. Таким образом, кремниевый диод 15 с этого момента време"ни начинает шунтироваться германиевым диодом 17 и последовательно сним включенным низкоомным резистором 9. Так как падение напряжения впрямом направлении у германиевогодиода значительно ниже, чем у крем-ниевого, то при открывании германиеюевога диода 17 напряжение на базетранзистора 4 уменьшается. Это приводит к еще большему запиранию транзистора 3 и открытию германиевогодиора 17, т,е, процесс снижения наипряжения на базе транзистора 4 происходит лавинообразно. На входе уст"ройства напряжение заряда устанавливается на более низком уровне О,Я Е.Напряжение на аккумуляторной батареене может мгновенно снизиться, поэтоэому в первый момент после переключения на нижний уровень напряжения за;ряда О транзисторы 4, 3 и 1 пол,носгью запираются, а через аккумуляторную батарею 21 протекает ток подзаряда, численно равный 1-2 от номинальной емкости, .по цепи: источник 11 питания, резистор 12, диод 16,резистор 2, аккумуляторная батарея21, Затем напряжение на батарее 21щ снижается до уровня Од,Если батарея не полностью заряжена, то транзисторы 4, 3 и 1 частично открываются, и по зарядной цепиначинает протекать ток. При открывании транзистора 3 на его коллектореначинает вновь возрастать положительнь 1 й потенциал, который через конденсатор 8 прикладывается к диоду 17 ичастично его запирает. Это приведетЖ к повышению напряжения на базе транзистора 4, к еще большему повышениютока и, в конечном итоге, к переходуна заряд при более высоком уровне на"пряжения. Затем ток заряда начинает55 снижаться, снова произойдет открывание германиевого диода 17, и процесс повторяется. Таким образом, дозаряд аккумуляторной батареи произво.1 О 15 го г 5 ЭО 35 Формула изобретения 40 45 5 О 55 дится изменяющимся по величине током, максимальное значение которогоопределяется верхним уровнем зарядно.го напряжения, а минимальное - нижним уровнем. Частота переключения с. верхнего уровня напряжения и наоборот, а также длительность работы накаждом из этих уровней зависит отстепени заряженности аккумуляторной батареи. Так, в начальный периоддозаряда, когда батарея заряжена неполностью, при заряде на верхнемуровне напряжения ток снижается медленно из-за медленного нарастаниянапряжения поляризации, и длительность заряда на верхнем уровне достаточно велика, а при переключении нанижний уровень напряжения ток зарядабыстро возрастает, и длительностьзаряда на нижнем уровне мала. В конце заряда, когда батарея почти полностью заряжена, длительность зарядана верхнем уровне напряжения мала, ана нижнем уровне велика. Такой режимдоэаряда продолжается до тех пор, пока батарея полностью не эарядится иток при нижнем уровне напряжения заряда не станет равным (0, 1-0,2)не опасным для аккумуляторов. В этомслучае переключение с нижнего уровнянапряжения заряда на верхний прекращается, и устройство переходит нарежим подзаряда при одном нижнемуровне напряжения.Нижний уровень опорного напряженияможно регулировать в некоторых пределах с помощью резистора 13. Приизменении сопротивления резистора 13изменяется ток, протекающий черезстабилитрон 14, германиевый диод 17и резистор 9, а следовательно, будетизменяться напряжение, снимаемое сэтих элементов. Величина тока 3,при котором производитсяпереключение,с верхнего уровня напряжения заряда на нижний, устанавливается спомощью резистора 5,Диод 16 в схеме устройства выполняет несколько функций. Во-первых,исключает влияние колебаний напряжения источника 11 питания на источник10 опорного напряжения и тем самымулучшает точность стабилизации, Вовторых, служит для защиты устройствапри коротком замыкании в цепи нагрузки. В-третьих, через него осуществляется положительная обратнаясвязь, когда устройство работает врежиме переключения с одного уровня зарядного напряжения на другой. В- четвертых, совместно с резистором 12 образует шунтирующую транзистор 1 цепочку, через которую протекает дополнительный зарядный ток, благодаря которому прекращается колебательный процесс дозаряда, и устройство переходит в режим подзаряда,П р и м е р. Испытание герметичных батарей ЗНКГД шахтных головных светильников.В начальный период осуществляют стабилизацию зарядного тока на уровне 4 А, далее заряд производят со стабилизацией напряжения,на верхнем уровне 4,65 В, а на нижнем 4,38 В. Переход на режим релейного переключения производят при снижении тока до 3 А, а режим подзаряда устанавливают при токе 0,25 Л.Заряд продолжают до тех пор, пока не прекратится режим релейного переключения, и не установится ток подзаряда, равный 0,15 А. Полное время заряда 6,0 ч. В режиме подзаряда ба-. тарея остается подключенной к зарядному устройству в течение 72,0 ч и не выходит из строя.Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют сократить время заряда батарей в 2,3 раза, по сравнению с известными., при обеспечении полного заряда батарей, Срок службы аккумуляторных батарей увеличивается в 2 раза за счет исключения преждевременного выхода аккумуляторов иэ строя. 1. Способ заряда аккумуляторной батареи, включающий заряд постояннным током, последующий подзаряд при по" стоянном напряжении и дозаряд малым по величине током, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью осуществления быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службы батареи, заряд постоянным током, численно равным 40-70 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, производят до сообщения батарее 60-70 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при постоянном напряжении на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5"0,7 перво/Известно также зарядное устройство, содержащее цепь постоянного тока для подачи первоначального неизменного зарядного тока к аккумуляторной батарее от источника переменного то- у ка, два датчика напряжения на выводах батареи, вентиль, соединенный с датчиками напряжения и предназначенный для управления синхронным переключателем, включенным со стороны ис" 1 ф точника переменного тока в цепь постоянного тока, управляющую цепь, соединенную с одним из датчиков напряжения, и времяэадающую цепь, соединенную с вентилем для управления длитель , ностью каждого рабочего периода.В первый период аккумуляторная батарея заряжается неизменным по величине постоянным током. Когда напряжение на выводах батареи достигнет оп ределенного уровня начинается второй период заряда батареи прерывистым током. Длительность подачи зарядного тока определяется времязадающей,цепью, а длительность паузы между токовыми фф импульсами - вторым уровнем напряжения на выводах батареи, который ниже первого уровня 7Недостатком устройства является то, что длительность подачи импульса 30 зарядного тока зависит от времязадающей цепи и не зависит от физического состояния аккумуляторной батареи, что может привести к преждевременному выходу из строя, например, герметичных, аккумуляторов.Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее ре" гулирующий транзистор, подключенный эмиттером к одному из зажимов неста р билизированного источника питания постоянного тока, а коллектором - к положительному выводу батареи, второй транзистор, который связан с базой регулирующего транзистора и со вторым зажимом источника питания через сопротивление в эмиттерной цепи, две параллельные цепи, подключенные к выводам аккумуляторной батареи, из которых первая цепь формирует опорное напряжение на базе второго транзистора с помощью стабилитрона, а вторая цепь представляет собой делитель напряжения на резисторах, средняя точка которого связана с базой третьего транзистора. Коллектор третьего транзистора через резистор подключен к эмиттеру второго транзистора, а эмиттер через стабилитрон связан с 40 бположительным выводом аккумуляторной батареи. Устройство осуществляет заряд аккумуляторной батареи при неизменном зарядном напряжении о.Недостатки известного устройства - невозможность осуществления быстрого и полного заряда аккумуляторной батареи без выхода из строя аккумуляторов (например, герметичных), так как устройство осуществляет один режим заряда, а также отсутствие схемы ограничения тока в начальной стадии заряда, что может привести к сокращению срока службы аккумуляторов.Цель изобретения - осуществление быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службыбатареи.Поставленная цель достигается тем, что сначала батарею заряжают постоян" ным током, численно равным 40-70 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, до сообщения ей 60-704 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при стабилизации напряжения на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряженя, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним - уровень, при котором ток подэаряда полностью заряженной батареи составляет 1-23 от номинальной емкости, .причем, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения уменьшитсядо 0,5-0,7 первоначального значения, производят переключение на заряд при нижнем уровне напряжения, а если ток при нижнем уровне напряжения возрастет до 1-2 Ф от номинальной емкости батареи, производят переключение на заряд при верхнем уровне напряжения, затем осуществляют по 1 заряд малым по величине постоянным током.В устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором - к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку, шунтирующую аккумуляторную батарею, и третий транзистор, дополнительно включен резистор между коллектором8861 ч регулирующего транзистора и положительным выводом батареи, источник опорного напряжения параллельно подклюцен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных 5 двух резисторов, стабилитрона и кремниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шине, при этом общая точка резисторов связана через согласно включенный диод 10 с коллектором регулирующего транзистора, а общая точка одного резистора и стабилитрона соединена с базой второго транзистора, цепочка, шунтирующая батарею, выполнена из со гласно подклюценного к ее положительному выводу диода и резистора, общая .точка которых соединена с эмиттером второго транзистора и через два последовательных диода - с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базе регулирующего транзистора, базой к коллектору второго транзистора,. а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирующую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтированного конденсатором, и резисто" ра,общая точка которых через встречно включенный германиевый диод связа на с общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного35 напряжения.На фиг. 1 представлены графики зависимости зарядного тока и напряжения от времени; на,фиг. 2 - предлагаемое устройство, схема.Способ заключается в следующем.Сначала заряд производится постоянным током Д (фиг. 1), численноо 1равным 10-703 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи.ч Такой ток не опасен для незаряженнои батареи, но в то же время примерно в чраз превышает величину, рекомендуемую для полного заряда батарей постоянным стабилизированнь 1 м током. Поэтому заряд батареи на данном на 50 чальном этапе протекает ускоренно. Однако его можно применять только до степени заряженности батареи, не пре" вышающей 60-70/ полной зарядной емкости батареи, так как в противном55 случае возможно выделение газа. После достижения 60-70 необходимой заряд.ной емкости проводят заряд при стаО, 8билизированном напряжении, достигнутом к концу заряда постоянным током.Этот заряд продолжается до тех пор,пока ток не уменьшится до 0,5-0,7своего первоначального значения.Уменьшение величины тока на этом этапе предотвращает преждевременное начало газовыделения. Когда зарядныйток снизится до значения 3 = (0,50,7), дальнейший заряд производят при стабилизации нижнего уровня напряжения О,. гарантирующего отсутствие газовыделения и тем самым обеспечивающего сохранность аккумуляторов при длительном заряде. Нижний уровень напряжения 02 выбирается таким, цтобы ток заряда при этом напряжении численно составлял 1-23 от номинальной разрядной емкости батареи,В момент переключения с верхнего уровня на нижний из-за наличия ЭДС поляризации зарядный ток падает почти до нуля, а затем начинает нарастать. бсли он достигнет уровня Э =1-23 от номинальной емкости, напряжение заряда вновь переключается на верхний уровень О,. При этом зарядный ток увеличивается скачком, но под действием возрастающей ЭДС поляризации вновь снижается до тех пор, пока не достигнет уровня Э. Затем идет переключение на напряжение О,и процесс повторяется. Таким образом,производится дозаряд аккумуляторнойбатареи при релейном переключениидвух уровней зарядного напряжения.Длительность импульсов и пауз между ними в процессе дозаряда зависитот степени заряженности батареи. Впервый момент перехода на релейныйрежим батарея еще не заряжена полностью, поэтому при переключении на более высокий уровень напряжения ЭДСполяризации нарастает медленно. Соответственно медленно снижается зарядный ток, и длительность импульсатока окажется большой, При переключении на заряд более низким напряже-,нием ЭДС поляризации спадает быстро и пауза между импульсами будет короткой. К концу заряда картина меняется. Нарастание ЭДС поляризации происходит быстро, а спадание - медлен-,но; Поэтому длительность импульса тока снановится малой, а паузы - большой,Заряд в режиме релейного переключения прекратится тогда, когда при нижнем уровне напряжения О 2 величи8861 ю 35 начального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряжения, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним - уровень, при котором ток подзаряда полностью заряженной батареи составляет 1-2 Ф от номинальной емкости, причем, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения умень- шится до 0,5-0,7 первоначального значения, производят перключение на заряд при нижнем уровне напряжения, а если ток при нижнем уровне напряжения возрастет до 1-23 от номинальной емкости батареи, производят переключение на заряд при верхнем уровне напряжения.2. Устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором - к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку, . шунтирующую аккумуляторную батарею, и третий транзистор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, между коллектором регулирующего транзистора и положительным выводом батареи дополнительно включен резистор, источник опорного напряжения параллельно подключен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных двух резисторов, стабилитрона и кремниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шинв, при этом общая точка резисторов связана через согласно включенный диод с коллектором регулирующего транзистора, а общая точка одного резистора и стабилитрона соединена с базой второго 40 14транзистора, цепочка, шунтирующаябатарею, выполнена из .согласно под-.ключенного к ее положительному вводудиода и резистора, общая точка которых соединена с эмиттером второготранзистора и через два последовательных диода - с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базерегулирующего транзистора, базой, -к коллектору второго транзистора,а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирую-,щую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтирован-ного конденсатором, и резистора, общая точка которых через встречновключенный германиевый диод связанас общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного напряжения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Заявка Франции йо 2256552,кл. Н 01 М 10/44, 19752. Патент СССР й 528047,кл. Н 01 М 10/44, 19743. Заявка франции й 2239772,кл. Н 01 И 10/44, 19754. 2 еЬю 11 Ье 1 е. Оаз адеп чопАММац 1 айогеп"Ваййег 1 еп в 1 й Моп 51 апйег 5 раппцп 0. "Е 1 е 1 сйгойесЬп 11 с.2,п1966, В. 18, й 20, 771-773.5 Патент США й 3678363,кл. Н 02,3 7/10, 1972.6. Патент Великобританиийф 1219324, кл. Н 02 1 7/10, 1971.7. Патент США й 3944904,кл. Н 02 д 7/04, 1976.8. Заявка Японии йф 50-2252,кл, Н 02 1 7/04, 1975.