УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ЗАРЯДА КИСЛОТНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
DEVICE FOR RESTORING AND CHARGING ACID STORAGE BATTERY

Изобретение относится к области электротехнике и может быть использовано для восстановления технических характеристик и заряда аккумуляторных батарей, для формирования аккумуляторной батареи (АБ) при их производстве, а также при обслуживании АБ электротранспорта и автотранспорта.
Известно устройство для заряда АБ асимметричным током (см. авторское свидетельство СССР 463175, H02J 7/10, 1975), содержащее управляемый мостовой выпрямитель, формирователь постоянной составляющей асимметричного тока (AT) в цепях выпрямления переменного тока и переменной составляющей в резонансном индуктивно-емкостном контуре. В известном устройстве выпрямленная полуволна зарядного тока дополнительно возбуждает ток в колебательном резонансном контуре за счет магнитосвязанной индуктивности. Переменная составляющая тока резонансного контура деполяризует пластины аккумуляторной батареи и способствует релаксации электролита.
Недостатком этого устройства является то, что резонанс направлен только на деполяризацию пластин и релаксацию электролита, при этом резонанс возникает в устройстве заряда, а не на гальванической паре аккумулятора и не позволяет полностью разрушить ионный барьер.
Известно устройство для заряда аккумуляторной батареи (Заявка РФ №94040711, H02J 7\00, оп 27.05.1996 г.)
Устройство содержит средства заряда для подачи на аккумуляторную батарею зарядного импульса, средства разряда для подачи на батарею разрядного импульса, средства управления, синхронизирующие работу средств заряда и разряда и т.д. В устройстве используется заряд ассиметричным током.
Недостатком известного решения является то, что увеличение величины зарядного тока ведет к созданию большого ионного барьера вокруг пластин аккумулятора, что вызывает разрушительные диффузные процессы внутри аккумуляторной батареи.
Известно устройство для восстановления емкостных характеристик аккумулятора (Патент РФ №RU 59337 U1, H02J 7/00, 10.12.2006), содержащее блок источников зарядного тока, выход которого служит для подключения аккумуляторной батареи, датчик тока, датчик напряжения, датчик температуры, измеритель плотности электролита и блок памяти, дополнительно снабжено процессором, блоком сопряжения, блоком индикации и дешифратором, при этом блок памяти и блок индикации соединены с процессором, к которому через блок сопряжения подключены датчик тока, датчик напряжения, датчик температуры и измеритель плотности электролита, выход процессора соединен с входом дешифратора, блок источников зарядного тока состоит из источника постоянного тока и источника прямоугольных импульсов тока, выходы которого подключены к соответствующим входам коммутатора, выход которого является выходом устройства, первый выход дешифратора соединен с управляющим входом коммутатора, а второй выход дешифратора соединен с входом управления параметрами зарядного тока источников постоянного и прямоугольных импульсов тока.
Данное устройство не обеспечивает условия для создания электрического резонанса и, как следствие, не позволяет полностью восстановить емкостные характеристики аккумулятора.
Наиболее близким решением является устройство для заряда аккумуляторной батареи (Патент РФ №2222090, H02J 7/10, по. 20.01. 2004 г.)
Устройство для заряда аккумуляторной батареи содержит средства заряда, разряда с подключением к ним высокоскоростного прерывателя разрядного тока, который формирует высоковольтный импульс на аккумуляторной батареи и заставляет высвобождать дополнительное количество носителей заряда на пластинах аккумуляторной батареи, контроллер, а также средства управления и синхронизации.
Недостатком известного решения является то, что данное устройство не позволяет получить достаточно высокий потенциал для создания электрического резонанса в ионообменном процессе свинцово-кислотной гальванической пары и восстановления мелкозернистой структуры активной массы аккумулятора.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего восстанавливать емкостные характеристики аккумуляторной батареи и осуществлять ее заряд.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для восстановления емкостных характеристик и заряда свинцово-кислотного аккумулятора, содержащем средство заряда, средство разряда, средство синхронизации, управляющее средствами заряда и разряда, и средства управления, дополнительно содержит микропроцессор, измеритель напряжения и измеритель тока, при этом средство заряда представляет собой генератор тока заряда, средство разряда выполнено в виде генератора сканирования воздействующих импульсов, к которому подключен высокоскоростной прерыватель разрядного тока, состоящий из скоростного ключа и его управления широтно-импульсным модулятором, который выполнен с возможностью формировать высоковольтный импульс на аккумуляторной батареи и заставляет высвобождать дополнительное количество носителей заряда на пластинах аккумуляторной батареи, при этом микропроцессор выполнен с возможностью управления взаимодействием и временными параметрами между генератором зарядного тока и генератором сканирования воздействующих импульсов и обеспечивает изменение длительности воздействующих импульсов в заданном интервале таким образом, чтобы на гальванической паре аккумулятора возникали резонансные импульсы напряжения в 5-10 раз превышающие напряжение гальванической пары при длительности импульса отклика 20-150 наносекунд.
Технический результат состоит:
в повышении кпд устройства при заряде аккумуляторной батареи, путем формирования токового импульсного разряда с крутым задним фронтом, который позволяет высвободить дополнительное количество "несвязанных" ионов и которые могут обеспечивать на некоторое время токи заряда почти вдвое больше в сравнении с тем, если разрядный импульс имеет обычную форму, поданный от средства разряда;
в снижении затрат на электроэнергию, т.к. в резонансе наносекундные импульсы напряжения переводят молекулы активной массы в ионное состояние, а зарядный ток производит только работу на перенос ионов;
в восстановлении емкостных характеристик свинцово-кислотной аккумуляторной батареи путем генерирования наносекундных импульсов высокого напряжения, в следствии происходит изменение структуры активной массы, из крупнозернистого состояния сульфата свинца получаем мелкозернистую структуру, что в свою очередь обеспечивает максимальные емкостные характеристики кислотной аккумуляторной батареи.
Результат достигается за счет создания электрического резонанса в ионообменном процессе свинцово-кислотной гальванической пары, в результате которого происходи восстановление мелкозернистой структуры активной массы аккумулятора, что увеличивает его емкостные характеристики.
4
Анализ проблем при эксплуатации свинцово - кислотной аккумуляторной батареи указывает на то, что с каждым циклом заряд-разряда емкость кислотной аккумуляторной батареи незначительно снижается в следствие укрупнения кристаллов сульфата свинца, при этом внутреннее сопротивление так же увеличивается. Снижение емкости кислотной аккумуляторной батареи обуславливается увеличением кристаллов активной массы (PbSO). Одна из проблем свинцового аккумулятора заключается в том, что при разряде молекулы сульфата свинца объединяются в кластеры (монокристаллы сульфата свинца). Энергии прилагаемой к гальванической паре от зарядных устройств (максимально, что можно подать на гальваническую пару 2,7 вольта) недостаточно, чтобы «разобрать» кластеры обратно на отдельные молекулы
4
В предлагаемом техническом решении импульсы напряжения в резонансе достигают 10-15 вольт на гальваническую пару кислотной аккумуляторной батареи. Импульсы высокого напряжения, воздействуя на кластеры молекул, за счет высокой разности потенциалов в резонансе, приложенной к группе молекул разделяют ее на разрозненные молекулы, молекула сульфата свинца переходит в ионное состояние (два отрицательных иона SO готовы вступить в реакцию с водородом) далее процесс заряда протекает обычным способом.
Резонанс подразумевает колебания системы на собственной частоте, причем чтобы амплитуда в резонансе была максимальной необходима хорошая добротность и синхронизация импульсной системы подкачки контура.
Рассмотрим аккумулятор как колебательную систему.
Колебательный контур состоит из емкостной и индуктивной системы. Электроды аккумулятора "+" и "- "выступают как обкладки конденсатора, т.е. формируют емкостную систему. В отношении индуктивной системы стоит рассмотреть подробнее, поскольку на первый взгляд индуктивности в стандартном понимании электротехники в данном случае нет. Однако, если учитывать свойства индуктивности, а именно, увлечение окружающей среды током и в дальнейшем использование инерции среды в процессе, то при таком рассмотрении физики процесса аккумулятор вполне может являться индуктивным элементом. Через аккумулятор пропускается ток, который увлекает за собой ионную среду электролита, при этом ионы имеют массу, а, следовательно, и инерцию, которая представляет собой энергетический потенциал. Таким образом, в аккумуляторе нашлись и емкость, и индуктивность, следовательно, по сути аккумулятор представляет собой специфический колебательный контур.
Дальнейшая задача заключается в увеличении добротности.
Добротность уменьшается, если в колебательном контуре большое сопротивление или он чем-либо нагружен. Уменьшить сопротивление внутри контура (внутри аккумулятора) не представляется возможным, однако можно снять внешнюю нагрузку, т.е. отключить внешние цепи. Отключение внешних цепей в нужный момент обеспечит увеличение добротности контура.
Таким образом, имеются все необходимые компоненты для создания резонансных колебаний внутри аккумулятора. Однако скорость движения ионов, которые вступают в химическую реакцию, определяется единицами микросекунд, а скорость химической реакции, которая использует ионы, на несколько порядков выше и составляет пикосекунды (спровоцированные колебания химическая реакция потребляет в тысячи раз быстрее), и в стандартном варианте колебательного процесса в аккумуляторе достичь невозможно. Однако предложенное устройство позволяет создать условия возникновения резонанса, который обеспечивает создание потенциала на аккумуляторе в десятки раз превышающий потенциал гальванической пары.
Устройство для восстановления технических характеристик и заряда аккумуляторных батарей состоит из средства заряда, средства разряда, средства управления и средства синхронизации, генератора сканирования воздействующих импульсов (ГСИ), микропроцессора, измерителя параметров кислотной аккумуляторной батареи, напряжения, тока (ИЗМ) и источника питания.
Средство заряда представляет собой генератор тока заряда. Средство управления содержит измеритель параметров аккумуляторных батарей, измеритель напряжения и измеритель тока. Средство разряда представляет собой генератор сканирования воздействующих импульсов, который используют для восстановления структуры активной массы АКБ. К ГСИ подключен высокоскоростной прерыватель разрядного тока, выполненный на основе ШИМ контроллера, который формирует высоковольтный импульс на аккумуляторной батареи и заставляет высвобождать дополнительное количество носителей заряда на пластинах аккумуляторной батареи. Микропроцессор с программным обеспечением соединен с генератором тока заряда (ГТ) и ГСИ, а также с измерителем напряжения и измерителем тока. Для управления генераторами и микропроцессор задает значение тока ГТ и временной диапазон сканирования ГСИ посредством программного обеспечения (ПО). Микропроцессор измеряет параметры аккумулятора посредством измерителя напряжения и измерителя тока и выдает задание на ГСИ, удерживая процесс в зоне резонанса, путем изменения длительности воздействующих импульсов в заданном интервале так, чтобы на гальванической паре аккумулятора возникали резонансные импульсы напряжения в 5-10 раз превышающие напряжение гальванической пары и длительностью отклика 100-150 наносекунд.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для восстановления технических характеристик и заряда аккумуляторных батарей (прототип);
на фиг. 2 - графические характеристики процесса, протекающего в АБ;
на фиг. 2а представлена осциллограмма воздействующих импульсов;
на фиг. 2б показано изменение длительности воздействующих импульсов;
на фиг. 3 (а, б, в, г) представлено изменение структуры сульфата свинца.
Устройство работает следующим образом.
До начала восстановления аккумуляторной батареи в ПО микропроцессора записывают параметры тока и временной интервал технологического процесса восстановления аккумуляторной батареи, которые сравнивают в процессе восстановления аккумуляторной батареи с текущими значениями параметров процесса восстановления аккумуляторной батареи.
В случае отклонения от заданного значения параметров технологического процесса их корректируют до достижения заданных значений, например, напряжение отклика достигает 10-15 вольт на гальваническую пару, а длительность импульса составляет 100÷150 наносекунд, записанных в ПО микропроцессора.
Микропроцессор посредством программного обеспечения управляет средством заряда в виде генератор тока заряда, который задает генератору зарядного тока значение тока для подачи его на аккумуляторную батарею, и средством разряда в виде ГСИ, который задает генератору сканирования воздействующих импульсов временной диапазон - интервалы сканирования для подачи его на аккумуляторную батарею.
Микропроцессор, получив с измерителей параметры кислотной аккумуляторной батареи, выдает задание на ГСИ и ГТ, удерживая процесс в зоне резонанса, путем изменения длительности воздействующих импульсов в заданном интервале, при этом в ионообменном процессе свинцово-кислотной гальванической пары создается электрический резонанс, при котором на гальванической паре аккумулятора получаются резонансные импульсы напряжения отклика и происходит восстановление мелкозернистой структуры активной массы аккумулятора.
Цикл восстановления аккумуляторной батареи повторяют до достижения заданной емкости батареи.
Было замечено, что при воздействии на гальваническую пару свинцово-кислотной аккумуляторной батареи короткого импульса, гальваническая пара «откликается» импульсом еще более коротким 100÷450 наносекунд, при изменении длительности подаваемого импульса амплитуда напряжения импульса отклика меняется, напряжение отклика при этом достигает 10-15 В на гальваническую пару кислотной аккумуляторной батареи.
Учитывая диффузионные процессы, происходящие в зоне химической реакции электродов аккумулятора, длительность работы воздействующих импульсов может настраиваться для того, чтобы из зоны реакции могли быть удалены продукты реакции и поступить в зону реакции следующая доза реагентов. Импульсы высокого напряжения, воздействуя на кластеры молекул, за счет высокой разности потенциалов в резонансе, приложенной к группе молекул разделяют ее на разрозненные молекулы, молекула сульфата свинца переходит в ионное состояние (два отрицательных иона S04 готовы вступить в реакцию с водородом) далее процесс заряда протекает обычным способом.
Эксперименты, проведенные в НИИ Стартерных аккумуляторов г. Подольск, применительно для формирования кислотной аккумуляторной батареи дали экономию электроэнергии от 30 до 50%.
При восстановительных работах на кислотной аккумуляторной батареи емкость достигает 110-115% от номинала.
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 заявленное изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве восстановительных устройств для аккумуляторной батареи с получением технического результата, заключающегося в экономии электроэнергии и восстановлении емкостных характеристик аккумуляторной батареи.