СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ БУФЕРНЫХ БАТАРЕЙ НА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ
METHOD FOR OPERATION OF NICKEL-METAL HYDRIDE BUFFER BATTERIES AT ELECTRIC CARS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока, которыми могут быть снабжены различные транспортные средства: гибридные электромобили, электромобили с энергоустановками на топливных элементах и др.
Известен способ эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов, заключающийся в быстром заряде током (0,5-1)С с переключением в режим подзаряда током (0,033-0,05)С при достижении одного из параметров:
- времени (90 мин при заряде током 1C);
- максимального напряжения 1,8 В/аккумулятор;
- максимальной температуры (50-60°С в зависимости от температуры аккумулятора);
- падения напряжения на 5-10 мВ/аккумулятор от максимального значения в ходе заряда (-ΔU);
- скорости роста температуры 1-2°С/мин (dT/dτ)
(См. «Методы заряда для Ni-MH аккумуляторов» на стр.12 и 13 технического руководства фирмы Panasonic «Никель-металлгидридные аккумуляторы». Ноябрь 2000).
Недостатками технического решения указанного аналога являются:
- невозможность эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме, когда в процессе заряда ток может изменяться, и зарядные импульсы могут чередоваться с разрядными;
- отсутствие зависимости максимально допустимого напряжения при заряде от температуры аккумулятора и тока;
- ограничения по току заряда (до 1C).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ эксплуатации тяговых батарей электромобиля, взятый за прототип, с использованием гальваностатического заряда до определенного термозависимого напряжения с последующим переходом на потенциостатический заряд (Книга: «Электромобиль: техника и экономика». В.А.Щетина, Ю.Я.Морговский, Б.И.Центер, В.А.Богомазов. Под общ. ред. В.А.Щетины. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987, стр.76-80). Контролируемыми параметрами при заряде являются напряжение, температура и зарядная емкость, а при разряде - напряжение и температура.
Недостатками данного способа эксплуатации являются:
- невозможность эксплуатации в буферном режиме;
- отсутствие зависимости минимально допустимого напряжения при разряде от температуры и тока.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа эксплуатации никель-металлогидридной батареи, обеспечивающего высокий ресурс, надежность в эксплуатации и высокую эффективность.
Поставленная задача решается тем, что ускоренный заряд током до 20С проводят до достижения на аккумуляторе (или группе аккумуляторов) максимального напряжения, зависящего от тока и температуры или до достижения максимальной температуры, после чего проводится подзаряд током (0,03-0,05)С. В любой момент заряда или хранения батарея может быть подвергнута разряду током до 20С до достижения минимального напряжения, зависящего от тока и температуры.
Отключение батареи с ускоренного заряда (переключение в режим подзаряда) проводится при достижении на одном из аккумуляторов (или группе аккумуляторов) максимального зарядного напряжения, рассчитываемого по формуле:
max
з
o
з
нз
U=U-k×(t-t)+R×(I-I),
где:
з
нз
o
U - конечное зарядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе заряда I при температуре t=20°С;
k - температурный коэффициент напряжения;
t - температура аккумулятора;
з
I - ток заряда;
R - сопротивление аккумулятора (или группы аккумуляторов).
Включение в режим ускоренного заряда происходит после израсходования при разряде не менее 10% от номинальной емкости батареи или при хранении более 10 дней.
Отключение батареи при разряде проводится при достижении на одном из аккумуляторов (или группе аккумуляторов) минимального разрядного напряжения, рассчитываемого по формуле:
min
p
o
p
нр
U=U-k×(t-t)-R×(I-I),
где:
p
нр
o
U - конечное разрядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе разряда I при температуре t=20°С.
мах
Кроме отключения по напряжению система контроля и управления работой батареи обеспечивает отключение батареи при заряде и разряде в случае достижения максимально допустимой температуры на любом из аккумуляторов - t=60-65°С.
з
p
max
Пример. Способ эксплуатации был реализован при циклировании батареи, состоящей из 168 последовательно соединенных никель-металлогидридных призматических аккумуляторов емкостью 10 А·ч. На каждой группе из 4-х аккумуляторов измерялось напряжение и контролировалась температура. Первоначально были рассчитаны значения U, U, k, R на основании зависимостей напряжения, температуры и внутреннего давления в аккумуляторе от сообщенной емкости при различных значениях тока. При этом значение U было выбрано таким образом, чтобы заряд батареи прекращался при достижении 85-90% от максимальной зарядной емкости, то есть емкости, при которой внутреннее давление в аккумуляторе достигало давления открытия предохранительного клапана.
После подстановки экспериментальных значений в приведенные выше формулы было получено:
max
з
U=5,96-0,009×(t-20)+0,0107×(I-3)
и
min
p
U=4-0,009×(t-20)-0,0107×(I-3).
мax
Данные формулы были включены в логику системы по контролю и управлению батареей с отключением при достижении t=65°С.
Батарея была установлена на испытательный стенд, имитирующий работу электропривода электромобиля на топливных элементах с максимальными токами при заряде (торможении) и разряде (разгоне) 160 А, т.е. 16С. Наработка батареи составила 2000 часов в течение 2 лет. Выход по току (отношение разрядной емкости к зарядной) составил более 90%.