УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Изобретение относится к устройству для заряда аккумуляторных батарей асимметричным током и может быть использовано для формирования аккумуляторной батареи (АБ) при их производстве, а также в зарядных устройствах для электротранспорта и автотранспорта.

Известно устройство для заряда АБ асимметричным током (см. авторское свидетельство СССР 463175 М. кл. H 02 J 7/10. 1975), которое содержит:
- управляемый мостовой выпрямитель;
- формирователь постоянной составляющей асимметричного тока (AT) в цепях выпрямления переменного тока и переменной составляющей в резонансном индуктивно-емкостном контуре. В этом устройстве выпрямленная полуволна зарядного тока дополнительно возбуждает ток в колебательном резонансном контуре за счет магнитосвязанной индуктивности. Переменная составляющая тока резонансного контура деполяризует пластины АБ и способствует релаксации электролита. Недостатком этого устройства является ограниченность по зарядным токам, резонансный контур обуславливает синусоидальный закон переменной составляющей тока, это не позволяет полностью разрушить ионный барьер.

Наиболее близким решением по технической сущности к заявленному устройству является прибор для заряда АБ, описанный в заявке на изобретение 94040714 M.кл. 6 H 02 J 7/00, 1996 г. Это устройство содержит средства заряда для подачи на АБ зарядного импульса, средства разряда для подачи на батарею разрядного импульса, средства управления, которое синхронизирует работу средства заряда и разряда, и обеспечивает паузу, управляет циклом процесса заряда.

В этом устройстве так же применен заряд асимметричным током, т.е. весь заряд разбит на периоды заряда, паузы, разряда. Количество этих периодов может варьироваться в зависимости от задачи, что способствует уменьшению влияния факторов, ограничивающих скорость заряда АБ.

Увеличение величины зарядного тока ведет к созданию большего ионного барьера вокруг пластин (слой Даффни), за счет ионного барьера возрастает внутреннее сопротивление, что в свою очередь ведет к более быстрому увеличению температуры электролита. Увеличенный зарядный ток блокирует большее количество носителей заряда в ионном барьере (слой Даффни). При протекании тока на внутреннем сопротивлении создается разность потенциалов и это ведет к диссоциации воды. Увеличение зарядного тока и недостаток носителей заряда, которые блокируются в ионном барьере, вызывают разрушительные диффузионные процессы внутри АБ.

Анализ этих факторов показывает, что представленное зарядное устройство достаточно хорошо борется с ионным барьером вокруг пластин АБ, однако быстрый заряд подразумевает применение больших токов, при этом возникает недостаток носителей заряда и как следствие увеличение температуры электролита, внутреннего сопротивления, диссоциации воды.

Технический результат данного изобретения состоит в том, что оно позволяет высвободить дополнительные носители заряда, уменьшить внутреннее сопротивление, уменьшить диссоциацию воды, а следовательно, увеличить кпд зарядного устройства и увеличить зарядный ток на некоторое время почти в два раза.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для заряда АБ, содержащем средства заряда и разряда, средства управления, которое включает средства синхронизации и которое заставляет средства заряда и разряда подавать на АБ зарядные и разрядные импульсы и обеспечивать паузу. Согласно изобретению, к средству разряда подключен высокоскоростной прерыватель разрядного тока, который формирует высоковольтный импульс на АБ и заставляет высвободить дополнительное количество носителей заряда на пластинах АБ. Высокоскоростной прерыватель разрядного тока выполнен из быстродействующего широтно-импульсного контроллера, полевого транзистора, в качестве быстродействующего ключа, индуктора для задержки нарастания тока, шунта в качестве детектора тока.

По имеющимся у заявителя сведениям совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению заявителя, сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на достигнутый технический результат. Новая совокупность признаков, которые и отличают от прототипа заявляемое изобретение, позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве зарядных устройств для АБ с получением технического результата, заключающегося в повышении кпд зарядного устройства.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где:
на фиг.1 представлена блок-схема устройства для заряда АБ;
на фиг.2 - графические характеристики процесса, протекающего в АБ;
Устройство для заряда АБ состоит из средства заряда 1, средства разряда 2, средства управления 3 и средства синхронизации 4. К генератору импульсов 5 средства разряда 2 подключен высокоскоростной прерыватель 6 разрядного тока, который формирует в момент отключения импульс высокого напряжения на АБ 7 и заставляет высвобождать дополнительное количество носителей заряда. Высокоскоростной прерыватель разрядного тока выполнен на основе генератора 5, быстродействующего ШИМ контроллера 6, к которому подключены полевой транзистор 9 в качестве быстродействующего ключа, индуктор 10 для задержки нарастания тока, шунт 11 в качестве детектора тока, диод 12 для защиты от пробоя полевого транзистора 9.

Устройство работает следующим образом: средство управления 3 заставляет средство заряда 1 и средство разряда 2 подавать на АБ 7 зарядные и разрядные импульсы и обеспечивать паузу, а высокоскоростной прерыватель разрядного тока прерывает разрядный ток, что обеспечивает дополнительное формирование носителей заряда.

Предпосылками для подачи данного изобретения послужили нижеследующие теоретические выводы.

Токообразующие процессы в аккумуляторе определены химической реакцией: PbО₂+Pb+2H₂SО₄-->2PBSО₄+2H₂О. При этом в аккумуляторе не учитываются процессы, связанные с тем, что эта реакция протекает во времени и инерционность этого процесса также влияет на зарядно-разрядные процессы. Так, например, если подали напряжение на АБ, то зарядный ток протекает не сразу, а через некоторое время. Такая же картина наблюдается и при разряде батареи, разрядный ток невозможно включить сразу, так же и разрядный ток нельзя выключить сразу, т.к. эти токи обусловлены ионной проводимостью PbО₂+HSО₄ ^-+3H^--->PbSО₄+2H₂О-2e на положительном электроде и Pb+HSО₄ ^--->PbSО₄+H+2e на отрицательном электроде. В этом случае ионы обуславливают электрический ток, а они имеют массу, и чтобы их переместить из электролита на электрод, необходимо время. А чтобы остановить частицу (ион), которая обладает массой, тоже необходимо время. Таким образом, при отключении тока (речь идет о внешней цепи электрической схемы) за счет инерционности ионов на электродах возникает избыточность зарядов, и напряжение на АБ превышает номинальное значение на некоторое время. Скажем так, аккумулятор обладает индуктивным эффектом (это паразитный эффект). Вокруг пластин при прерывании тока образуется недостаток ионов кислоты из-за того, что межэлектродное напряжение при прерывании тока возросло (даже в большей степени, чем оно возрастает при заряде) и напряженность электрического поля (межэлектродное напряжение) удерживает зону вокруг электродов "свободной" от диффузионных процессов, которые стремятся выровнять плотность.

При зарядном процессе разность потенциалов на электродах больше ЭДС батареи, ионы за счет внешнего электрического поля начинают дрейфовать к электродам и вступать в химическую реакцию с поглощением энергии. При увеличении разности потенциалов ток ионов увеличивается, при этом вокруг электродов создается избыток ионов, готовых вступить в химическую реакцию, что создает барьер, называемый слоем Даффни. Ионный барьер имеет определенную толщину, а следовательно, и разность потенциалов. Внутренняя разность потенциалов в электролите, возникающая на ионном барьере, приводит к дополнительной диссоциации воды. Зная эти процессы, можно уменьшить энергию, необходимую для заряда АБ. Если смоделировать процесс разряда и прервать его, то будет некоторое время для заряда АБ, при котором потери энергии сведутся к минимуму за счет отсутствия ионного барьера, который разрушается за счет индуктивного эффекта. Необходимо учитывать, что переходные процессы в АБ протекают с высокой скоростью, порядок времени этих процессов составляет от 3•10^-6 до 10•10^-6 секунды. По скорости протекания процессов можно определить, как хорошо формирована батарея и насколько она качественна.

Устройство, которое бы эффективно заряжало аккумуляторы асимметричным током, должно иметь переходные процессы как минимум на порядок быстрее, чем указанное выше время. В предлагаемом устройстве это условие выполнено.

Разрядное средство дополнено высокоскоростным прерывателем разрядного тока, которое формирует токовый импульс разряда с крутым задним фронтом. Этот прием позволяет высвободить дополнительное количество "несвязанных" ионов, которые могут обеспечить на некоторое время ток заряда почти вдвое больше в сравнении с тем, если разрядный импульс имеет обычную форму. Причина этого кроется в следующем: АБ обладает индуктивным эффектом, т.к. при прерывании тока ионы как положительные, так и отрицательные продолжают движение, хотя электрическая цепь разорвана и внешний ток не протекает. Ток в АБ обусловлен ионами, которые имеют массу и продолжают двигаться по инерции, даже если внешняя цепь электрического тока отсутствует. При этом на разнополярных пластинах возникает напряжение, в несколько раз превышающее напряжение ЭДС, а внутри АБ протекают следующие процессы:
1) вокруг пластин образуются несвязанные поля ионов, которые и способны обеспечивать дополнительный зарядный ток;
2) на некоторое время напряжение на гальванической паре возрастает в несколько раз, как будто бы зарядное напряжение, приложенное к гальванической паре, превысило ЭДС, при этом разрушаются "глубоко" сульфатированные пластины и происходит перевод сульфата в обратимый, что в свою очередь обеспечивает дополнительные ионы;
3) перед окончанием разрядного импульса ионы, вступившие в химическую реакцию, обеспечивают дополнительный выход воды, что способствует увеличению носителей заряда;
4) разрядный импульс снижает ионный барьер (слой Даффни), а когда ток прерван, происходит перенасыщение зоны вокруг пластин одноименными с пластиной ионами и одновременно начинается диффузионный процесс обратного направления движения ионов, который полностью разрушает ионный барьер (слой Даффни), это сильно влияет на снижение внутреннего сопротивления аккумулятора.

Необходимо учитывать, что процессы установления и прекращения ионного тока, занимают время от 3 до 7 мкс, следовательно, ключ, который прерывает разрядный ток, должен формировать задний фронт импульса как минимум в десять раз быстрее, чем протекают ионные процессы. Рекомендуется, чтобы время разряда составляло 1-10% от времени заряда. Для сульфатированной батареи это время можно увеличить до 30%.

В высокоскоростном прерывателе разрядных токов средство управления 3 дает разрешение работать скоростному формирователю импульсов, при этом генератор импульсов 5 выдает сигнал на разрешение открытия ключа 9. Ключ переходит в открытое состояние, при этом напряжение на АБ уменьшается за счет инерционности ионов в момент времени t.3 (фиг.2). Ток через ключ начинает нарастать линейно благодаря линии задержки 10, при достижении током определенного значения, которое контролируется детектором тока 11, схема ШИМ 6 токоограничения переводит ключ форсированно в закрытое состояние, это время занимает 30-60 нс. В этот момент на закрытом ключе 9 и на аккумуляторе 7 напряжение скачкообразно возрастает (момент времени t.4, фиг.2) в несколько раз по сравнению с ЭДС АБ (к примеру, для 12-вольтовой батареи при прерывании разрядного импульса в 40 А напряжение достигает 100 В). Высокое напряжение действует недолго, примерно 5 мкс, пока заряд на пластинах не рассосется. Схема защиты 12 контролирует напряжение, чтобы оно не превысило максимально допустимый предел для ключа.