Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ИМПУЛЬСНЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии производства свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, а также к обслуживанию аккумуляторных батарей в процессе их эксплуатации.

Формирование - это первый заряд собранного аккумулятора, при котором происходит превращение исходной активной массы в активный материал положительных и отрицательных электродов с определенными физико-химическими и структурными свойствами. Для этого используются различные способы заряда аккумуляторов.

Известен способ заряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи асимметричным током путем обеспечения равенства продолжительности зарядно-разрядных импульсов, при котором заряд осуществляют импульсами зарядного тока, равными 0,3 от номинальной емкости батареи при импульсах разрядного тока, равных 0,003-0,06 от этой емкости (Авт.свид. СССР №396761, H01M 45/04).

Недостаток этого способа - эффективный заряд получается при фиксированном значении величины зарядного импульса, что не пригодно для технологического процесса формирования.

Известен способ заряда свинцово-кислотных аккумуляторов с реверсированием зарядного тока, при котором длительных зарядных импульсов тока изменяется от 15 с до 8 с в зависимости от состояния аккумулятора, а длительность разрядных импульсов тока берется неизменной 50 мс (патент США №3929505, H01M 4/04).

Недостаток этого способа - сложность устройства, реализующего этот способ, и недостаточная эффективность при формировании свинцово-кислотных аккумуляторов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ заряда свинцово-кислотного аккумулятора через преобразователь от сети переменного тока, основанный на чередовании импульсов зарядного и разрядного тока с частотой их следования f/n (f - частота сети переменного тока, n - коэффициент деления (n=1,2, 3,…)). При этом длительность зарядных импульсов d_зар не превышает четверти периода колебаний в сети переменного тока, а длительность импульсов разрядного тока d_зар=(n/f)-d_зар. Величину тока в разрядном импульсе выбирают в пределах I_раз=(0,1-0,4)I₀, где I₀ - эффективный постоянный ток заряда, зависимый от амплитуды импульсов зарядного тока и их скважности (патент РФ на изобретение №2180460, H01M 10/44, H02J 7/00). Положительный эффект прототипа - повышение эффективности десульфатации аккумуляторов с глубокой сульфатацией пластин, а также удаление сульфатации, возникающей при длительной эксплуатации аккумуляторных батарей.

Недостаток прототипа - не полностью использована возможность повышения эффективности формирования свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Поскольку свинцово-кислотная аккумуляторная батарея с сульфатированными пластинами и новая батарея, не прошедшая формирования, это совершенно разные объекты, то использование идеи технического решения прототипа для формирования батареи оказалось возможным после внесения в известный способ заряда нескольких изменений.

Задачей изобретения является повышение эффективности формирования аккумуляторных батарей в технологическом процессе их производства.

Технический результат заключается в снижении времени батарейной формировки, снижении температуры электролита во время формировки, повышении эффективности использования тока.

Технический результат изобретения достигается тем, что при формировании свинцово-кислотной аккумуляторной батареи импульсным асимметричным током через преобразователь от сети переменного тока по способу, основанному на чередовании импульсов зарядного и разрядного тока с частотой их следования f/n (f - частота сети переменного тока, n - коэффициент деления (n-1, 2) и с длительностью импульсов разрядного тока d_раз=(n/f)-d_зар, где d_зap - длительность импульсов зарядного тока, отличающемуся тем, что длительность импульсов зарядного тока выбирают в пределах 0,25Tc≤d_зap<0,5Tc, где Tc - период колебаний в сети переменного тока, а величину тока в импульсах разрядного тока I_раз в процессе формирования изменяют в зависимости от накопления заряда в батарее плавно или ступенчато в пределах 0≤I_раз<0.01C_H, где C_H - численное значение номинальной емкости формируемой батареи.

Изобретение поясняется осциллограммами импульсов напряжения, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлена осциллограмма импульсов напряжения на клеммах аккумуляторной батареи с частотой следования 50 Гц и длительностью около 5 мс.

На фиг.2 представлена осциллограмма импульсов напряжения на клеммах аккумуляторной батареи с частотой следования 25 Гц и длительностью около 5 мс.

Принцип способа формирования основан на чередовании импульсов зарядного тока большой амплитуды с импульсами разрядного тока малой амплитуды с частотой их следования, кратной частоте переменного тока электросети России (50 Гц), причем длительность импульса зарядного тока меньше длительности импульса разрядного тока. Как показали исследования, использование импульсного ассиметричного тока для формирования свинцово-кислотных батарей наиболее эффективно при двух значениях частоты следования импульсов: 25 Гц или 50 Гц.

В отличие от прототипа в изобретении увеличена длительность импульсов зарядного тока от четверти периода колебаний в сети переменного тока (т.е. от 5 мс) до значения, которое меньше половины периода колебаний в сети переменного тока (т.е. меньше 10 мс). Это приводит к увеличению времени зарядной реакции в формируемой аккумуляторной батарее.

В изобретении изменена также величина тока в разрядных импульсах.

Для реализации изобретения необходимо в преобразователе от сети переменного тока частотой 50 Гц (с периодом колебаний 20 миллисекунд) получить из переменного напряжения электросети, амплитуда которого изменяется по синусоидальному закону, прямоугольные импульсы с длительностью 10 мс и с периодом следования 20 мс или 40 мс. Частота следования полученных прямоугольных импульсов будет синхронной с частотой электросети. Эти прямоугольные импульсы подаются на усилитель мощности для обеспечения необходимого зарядного тока в формируемой батарее. Эти же импульсы используются для получения управляющих импульсов напряжения для ключевого элемента, например тиристора с регулируемой длительностью от нуля до 10 мс.

Преобразователь от сети переменного тока может быть также выполнен при использовании в качестве мощного источника тока для формирования батареи не усилителя прямоугольных импульсов, а непосредственно импульсное напряжение электросети синусоидальной формы. Но в этом случае при наличии постоянного напряжения аккумуляторной батареи невозможно получить длительность импульса зарядного тока более 6,5 миллисекунд из-за неполного использования длительности синусоидального импульса сетевого напряжения.

Достоинство такого преобразователя в том, что при сравнительной простоте он обеспечивает получение непосредственно от электросети через трансформатор зарядные токи любой величины, которые ограничиваются только возможностью ключевого элемента (например, тиристора). Это важно для ускоренных процессов формирования, когда при эффективном постоянном токе заряда больше десяти ампер ток в зарядном импульсе достигает весьма больших значений.

Преобразователь от сети переменного тока содержит сетевой трансформатор, блок формирователя импульсов напряжения с регулируемой длительностью, синхронных с частотой электросети переменного тока, ключевой элемент (например, тиристор), токоустановочные резисторы, амперметр, переключатель токоустановочных резисторов.

Для получения в блоке формирователя управляющих импульсов с частотой 50 Гц используется один полупериод сети переменного тока, поэтому подаваемый на тиристор импульс должен быть синхронизирован именно с ним. Для получения частоты следования 25 Гц используется также один полупериод сети переменного тока, но тиристор открывается через полтора сетевых периода.

В обоих случаях блок формирователя управляющих импульсов является маломощным устройством, поскольку для управления тиристором требуется ток порядка 20-30 мА при низком напряжении.

Тиристор включен последовательно с вторичной силовой обмоткой сетевого трансформатора и аккумуляторной батареей. Импульсы напряжения, которые подаются с силовой обмотки трансформатора на клеммы батареи через тиристор, накладываются на постоянное напряжение на клеммах аккумуляторной батареи, при этом получается зарядное напряжение U_зap, которое можно представить в виде U_зap=U_бат+U_имп, где U_бат - постоянное напряжение на клеммах батареи, U_имп - напряжение импульса, измеренное на экране осциллографа.

Осциллограммы импульсных составляющих зарядного напряжения на клеммах аккумуляторной батареи с частотой 25 Гц и 50 Гц показаны на фиг.1 и фиг.2.

Импульсное зарядное напряжение вызывает в аккумуляторной батарее импульсы зарядного тока, которые образуют в последовательной замкнутой цепи «трансформатор - тиристор - аккумуляторная батарея - амперметр - трансформатор» эффективный постоянный ток заряда I₀. Эффективный постоянный ток заряда измеряется обычным образом по показанию амперметра.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора подбирается такой величины, чтобы на каждом этапе формирования обеспечивался эффективный постоянный ток заряда, необходимый для процесса формирования батареи.

Импульсы разрядного тока получаются с помощью токоустановочных резисторов, подсоединяемых к выходным зажимам преобразователя сети переменного тока или к клеммам батареи. Внутреннее сопротивление свинцово-кислотной аккумуляторной батареи намного меньше сопротивления этих резисторов, поэтому потери тока на них за время короткого зарядного импульса незначительны. Возможна разработка схемы, отключающей при импульсе зарядного тока токоустановочный резистор, но энергопотребление такой схемы может быть соизмеримо с потерями на резисторе и усложнение зарядного устройства не во всех случаях необходимо.

Способ формирования осуществляется следующим образом.

При прохождении через аккумуляторную батарею импульса зарядного тока происходит химическая реакции заряда, во время которой исходная активная масса превращается в активный материал положительных и отрицательных электродов с определенными физико-химическими и структурными свойствами. Трудность первого заряда сформированных электродов определяется низкой электронной проводимостью активной массы и высоким значением контактного сопротивления между ее частицами и токоподводящей основой (решеткой).

При реакции заряда активная масса свинцово-кислотного аккумулятора формируется в кристаллическом и аморфном виде, причем рабочие свойства активной массы определяет в основном аморфная составляющая за счет своей высокой проводимости. Измельчению структуры активной массы при формировании и получению ее в аморфном виде способствует зарядный ток большой плотности.

Возникающая при заряде импульсным током концентрационная поляризация электродов снимается в течение разрядного импульса или паузы между зарядными импульсами, что уменьшает расходование зарядного тока на побочные процессы - выделение газов за счет разложения электролита.

В изобретении зарядный ток в импульсном режиме получается большой амплитуды при значительно меньшем эффективном постоянном токе заряда. Расчет при длительности импульса зарядного тока в 6 мс показывает, что при эффективном постоянном токе заряда величиной, например, 12 А при частоте следования импульсов 50 Гц ток в зарядном импульсе имеет амплитуду 40 А, а при частоте следования импульсов 25 Гц ток в зарядном импульсе имеет амплитуду 80А.

При том же условии для длительности импульса зарядного тока в 9 мс амплитуда тока при частоте следования импульсов 50 Гц превышает 26 А, а при частоте 25 Гц -53 А.

Таким образом, при импульсном зарядном токе зарядная реакция проходит при значительной плотности тока. Это обеспечивает интенсивность и качество электрохимической реакции преобразования активной массы.

Процесс формирования проводится при длительности импульсов зарядного тока от 5 мс до 6,5 мс или от 5 мс до 10 мс (в зависимости от типа преобразователя от сети переменного тока). При длительности зарядного импульса более 5 мс, как уже отмечено, увеличивается по сравнению с прототипом время зарядной реакции, которая происходит только в течение зарядного импульса.

При импульсном асимметричном зарядном токе особое значение имеет длительность разрядного импульса, в течение которого снимается концентрационная поляризация электродов. При частоте следования импульсов 50 Гц при длительности зарядного импульса 5 мс длительность разрядного импульса составляет 15 мс, т.е. в три раза больше длительности зарядного импульса. При увеличении длительности зарядного импульса длительность разрядного импульса уменьшается и может в пределе лишь немного превышать 10 мс. Малая длительность разрядного импульса уменьшает его положительное действие на зарядный процесс. Поэтому при частоте следования импульсов 50 Гц не следует устанавливать длительность импульса зарядного тока больше 6 мс - 7 мс.

При частоте следования импульсов 25 Гц с периодом 40 мс длительность импульса разрядного тока находится в пределах 30 мс - 35 мс. В этом случае длительность импульсов зарядного тока предпочтительно устанавливать больше 7 мс.

При формировании свинцово-кислотного аккумулятора импульсным асимметричным током одним из факторов повышения эффективности процесса является минимизация тока в разрядных импульсах, при которой еще сохраняется их положительное влияние на зарядный процесс.

В разрядных импульсах ток в процессе формирования меняется в зависимости от накопления в аккумуляторной батарее электрического заряда и на начальном этапе формирования имеет нулевое значение. По мере накопления заряда в батарее до некоторого уровня включают ток в разрядных импульсах, который в дальнейшем изменяют плавно или ступенчато до величины на последнем этапе, не превышающей 0,01C_H [А] (здесь C_H - численное значение номинальной емкости батареи). Такое изменение величины тока в разрядных импульсах уменьшает расход уже накопленного в батарее электрического заряда. Это повышает эффективность формирования батареи.

Можно указать на один из возможных вариантов ступенчатого изменения тока в разрядных импульсах. От начала формирования до накопления заряда Q в аккумуляторе до 50% его номинальной емкости C_H (0≤Q₁≤0,5C_H) между импульсами зарядного тока разрядного тока нет и образуется пауза (I_1раз [А]=0). При Q₂=(0,5-0,9)C_H ток в разрядных импульсах I_2раз=0,0065C_H [А]. Наибольший ток в разрядных импульсах I_3раз [А]<0.01C_H устанавливают на конечном этапе формирования Q₃>0,9C_H, когда эффективность использования зарядного тока мала.

Следует отметить, что приведенный вариант изменения тока в разрядных импульсах дан для частоты следования импульсов зарядного тока 50 Гц. При частоте следования импульсов зарядного тока 25 Гц величину тока в разрядных импульсах необходимо уменьшить примерно в 2-2,5 раза, чтобы обеспечить такой же расход электрического заряда формируемой батареи на импульсы разрядного тока.

В проведенном эксперименте по формированию аккумуляторной батареи температура электролита изменялась в пределах 36°C - 48°C при небольшом охлаждении ее в водяной ванне. Тепловое действие электрического тока является его фундаментальным свойством и от него невозможно избавиться. Это особенно заметно при ускоренных режимах формирования с большими зарядными токами. Но на практике установлено, что при импульсном ассиметричном токе нагревание батареи меньше, чем при использовании постоянного тока, за счет уменьшения выделения тепла в химических зарядно-разрядных реакциях и уменьшения электролиза воды.

Сравнение с постояннотоковым производственным режимом формирования аккумуляторной батареи емкостью 55 А·ч показало, что на формирование постоянным током за 19 часов, когда была получена плотность электролита 1,28 г/см³, было затрачено 242,05 А·ч электрического тока, а при использовании импульсного асимметричного зарядного тока такой же результат за то же время был получен с затратой 187,2 А·ч, т.е. затрачено меньше на 54,85 А·ч (в постояннотоковом режиме использовался зарядный ток большей величины).

Контрольный разряд сформированной 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи номинальной емкостью 55 А·ч с начальным током разряда 2,75 А показал за 21 час разряда емкость 55,86 А·ч. Ток разряда после двадцати часов был равен 2,55 А при напряжении 11,5 В, а после двадцати одного часа - 2,3 А при напряжении 9,2 В.

Использование для формирования свинцово-кислотной батареи импульсов зарядного тока с длительностью более 5 миллисекунд (6 миллисекунд в эксперименте) и изменение тока в разрядных импульсах дало по сравнению с прототипом некоторые преимущества, в частности, по увеличению зарядной емкости и кроме этого по сравнению с постояннотоковым режимом - уменьшение затрат зарядного тока.