УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства заряда и восстановления емкости различных типов герметичных аккумуляторных батарей, применяемых в переносных, подвижных, стационарных средствах связи и других областях применения.
Выпускаемые промышленностью аккумуляторные батареи (АБ), не требующие обслуживания, например, герметичные никель-кадмиевые, могут длительное время эксплуатироваться лишь в условиях положительных температур окружающей среды, при которых получают оптимальные зарядные и разрядные характеристики аккумуляторных батарей и полностью восстанавливать разрядную емкость [1, 2].
Однако известные устройства заряда становятся малоэффективными при заряде и восстановлении емкости аккумуляторных батарей, эксплуатируемых в условиях отрицательной температуры окружающей среды.
Необходимость заряда и восстановления емкости аккумуляторных батарей при отрицательной температуре вызвана тем, что они могут эксплуатироваться в полевых условиях вдали от населенных пунктов, в труднодоступных местах (районах), где отсутствуют стационарные источники электроэнергии и соответственно возможность заряда аккумуляторных батарей при положительных температурах в отапливаемых помещениях.
Проведенный поиск по патентной литературе и общедоступным источникам не выявил аналогичных технических решений поставленной задачи. Таким образом, предложенная совокупность признаков полезной модели соответствует критерию «новизна», а используемые в нем узлы, блоки и элементы широко известны в литературе [1, 2], что подтверждает возможность промышленной реализации предлагаемого устройства восстановления емкости аккумуляторных батарей.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство восстановления емкости аккумуляторных батарей состоит из источника электроэнергии переменного тока, блока заряда-разряда аккумуляторной батареи (АБ), включающего в себя преобразователь напряжения переменного тока, датчик тока заряда, датчик напряжения заряда, микроконтроллер, коммутационный аппарат и нагрузочный элемент (резистор), коммутационного аппарата цепи питания нагревательного элемента, блока переключения цепи заряда АБ, блока автоматического контроля и управления, акустического сигнализатора, цифрового светового табло и термоизоляционного корпуса, внутри которого размещены нагревательный элемент, аккумуляторная батарея и термозависимый датчик напряжения, при этом вход-выход источника электроэнергии переменного тока по силовой цепи соединен с входом-выходом преобразователя напряжения переменного тока блока заряда-разряда аккумуляторной батареи (АБ), выход которого соединен со входом датчика тока заряда, выход которого соединен со входом датчика напряжения заряда, информационный выход датчика тока заряда соединен с первым информационным входом микроконтроллера, второй информационный вход которого соединен с выходом датчика напряжения заряда, выход датчика тока заряда соединен также со входами коммутационного аппарата, выход которого соединен со входом цепи питания нагревательного элемента, и блока переключения цепи заряда АБ, выход которого соединен со входом аккумуляторной батареи, информационный выход микроконтроллера соединен с первым информационным входом блока автоматического контроля и управления, второй и третий информационные входы которого соединены с информационными входами соответственно коммутационного аппарата цепи питания нагревательного элемента и блока переключения цепи заряда АБ, вход цепи питания блока автоматического контроля и управления соединен с выходом преобразователя напряжения переменного тока, информационный выход аккумуляторной батареи соединен с информационным входом коммутационного аппарата блока заряда-разряда АБ, выход которого соединен со входом нагрузочного элемента (резистора), и с четвертым информационным входом блока автоматического контроля и управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно коммутационного аппарата блока заряда-разряда АБ, коммутационного аппарата цепи питания нагревательного элемента, блока переключения цепи заряда АБ, акустического сигнализатора и цифрового светового табло, информационный выход термозависимого датчика напряжения соединен с пятым информационным входом блока автоматического контроля и управления.
Предлагаемое устройство восстановления емкости аккумуляторных батарей изготавливается из стандартных элементов и функционально-законченных узлов электротехники и вычислительной техники, которые серийно выпускаются промышленностью. Он собирается с помощью стандартного оборудования и не требует дополнительного технического творчества, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемая полезная модель удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства восстановления емкости аккумуляторных батарей.
Устройство восстановления емкости аккумуляторных батарей содержит источник 1 электроэнергии переменного тока, блок 2 заряда-разряда аккумуляторной батареи (АБ), состоящий из преобразователя 3 напряжения переменного тока, датчика 4 тока заряда, датчика 5 напряжения заряда, микроконтроллера 6, коммутационного аппарата 7 и нагрузочного элемента (резистора) 8, коммутационный аппарат 9 цепи питания нагревательного элемента, блок 10 переключения цепи заряда аккумуляторной батареи, блок 11 автоматического контроля и управления, акустический сигнализатор 12, цифровое световое табло 13, термоизоляционный корпус 14, внутри которого размещены нагревательный элемент 15, аккумуляторная батарея 16 и термозависимый датчик 17 напряжения.
Вход-выход источника 1 электроэнергии переменного тока по силовой цепи соединен с преобразователем 3 напряжения переменного тока блока 2 заряда-разряда АБ, выход которого соединен со входом датчика 4 тока заряда, выход которого соединен со входом датчика 5 напряжения заряда, информационный выход датчика 4 тока заряда соединен с первым информационным входом микроконтроллера 6, второй информационный вход которого соединен с выходом датчика 5 напряжения заряда.
Выход датчика тока 4 заряда соединен также со входами коммутационного аппарата 9, выход которого соединен со входом цепи питания нагревательного элемента 15, и блока 10 переключения цепи заряда АБ, выход которого соединен со входом аккумуляторной батареи 16, размещенных в термоизоляционном корпусе. Информационный выход микроконтроллера 6 соединен с первым информационным входом блока 11 автоматического контроля и управления, второй и третий информационные входы которого соединены с информационными входами соответственно коммутационного аппарата 9 цепи питания нагревательного элемента и блока 10 переключения цепи заряда АБ, вход цепи питания блока 11 автоматического контроля и управления соединен с выходом преобразователя 3 напряжения переменного тока, информационный выход аккумуляторной батареи 16 соединен с информационным входом коммутационного аппарата 7 блока 2 заряда-разряда АБ, выход которого соединен со входом нагрузочного элемента (резистора) 8, и с четвертым информационным входом блока 11 автоматического контроля и управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно коммутационного аппарата 7 блока 2 заряда-разряда АБ, коммутационного аппарата 9 цепи питания нагревательного элемента 15, блока 10 переключения цепи заряда АБ, акустического сигнализатора 12 и цифрового светового табло 13, информационный выход термозависимого датчика 17 напряжения соединен с пятым информационным входом блока 11 автоматического контроля и управления.
В качестве источника 1 электроэнергии переменного тока может быть использована сеть трехфазного переменного тока напряжением 380/220 В или автономный электроагрегат переменного тока напряжением 220 В.
Микроконтроллер 6 предназначен для нормирования величины тока и напряжения заряда, подаваемого для контроля на блок 11 автоматического контроля и управления, осуществляющего управление всеми процессами разряда и заряда АБ.
Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда-разряда аккумуляторных батарей является способ управления при помощи микропроцессора блока 11 контроля и управления, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце разряда и заряда. Чтобы напряжение на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5C.
Блок 11 автоматического контроля и управления содержит микропроцессор, блок выбора режима работы устройства, блок памяти программ и блок параметров аккумуляторной батареи. Микропроцессор осуществляет слежение за падающим напряжением на аккумуляторной батарее 16 и выводит текущее время разряда батареи на цифровое световое табло 13. По конечному времени разряда аккумуляторной батареи определяется остаточная емкость батареи. При предварительном полном заряде аккумуляторной батареи определяется емкость АБ с учетом потери емкости в процессе эксплуатации. При достижении напряжения окончания разряда на аккумуляторной батарее микропроцессор блока 11 контроля и управления устанавливает режим заряда аккумуляторной батареи стабильным током, подключая преобразователь 3 напряжения переменного тока через датчик 4 тока заряда и блок 10 переключения цепи заряда к аккумуляторной батарее 16.
Акустический сигнализатор 12 предназначен для звукового предупреждения обслуживающего персонала об аварийной ситуации, возникшей в процессе работы устройства, в том числе при пропадании питания от источника 1 электроэнергии, резком повышении или понижении температуры на аккумуляторной батарее, размещенной внутри термоизоляционного корпуса 14, и других ситуациях.
Устройство восстановления емкости аккумуляторных батарей работает следующим образом.
Процесс восстановления емкости АБ происходит в три этапа: контроль параметров аккумуляторной батареи, включая определение остаточной емкости; разряд АБ до допустимого напряжения и затем заряд аккумуляторной батареи.
н
н
На первом этапе, перед началом процесса восстановления, аккумуляторную батарею 16 помещают в термоизоляционный корпус 14, в котором размещены нагревательный элемент 15 и термозависимый датчик 17 напряжения. Затем подключают источник 1 электроэнергии переменного тока к преобразователю 3 напряжения блока 2 заряда-разряда аккумуляторной батареи и устройство переводится в режим контроля параметров аккумуляторной батареи 16 и температуры внутри термоизоляционного корпуса 14. Контроль и измерение тока и напряжения заряда осуществляется микроконтроллером 6 блока 2 заряда-разряда АБ, данные на который поступают с выхода датчика 4 тока заряда и датчика 5 напряжения. При этом величина тока заряда составляет не более (0,5÷1,0)C, где C - номинальная емкость заряжаемой аккумуляторной батареи, выраженная в ампер-часах. Данные о величине тока заряда и напряжения с информационного выхода микроконтроллера 6 передаются на информационный вход блока 11 контроля и управления, в котором они записываются в память блока (оперативное запоминающее устройство) и автоматически сравниваются с данными по номинальной емкости каждого из типов аккумуляторных батарей, заранее записанными в память блока 11 управления.
Контроль температуры внутри термоизоляционного корпуса 14 осуществляется постоянно и данные о температуре автоматически подаются с термозависимого датчика 17 напряжения в блок 11 автоматического контроля и управления, в котором на светодиоде отображается текущее значение температуры. При отрицательной температуре или температуре ниже заданного положительного значения (не менее плюс 15°C) с выхода блока 11 контроля и управления подается управляющий сигнал на коммутационный аппарат 9 цепи питания нагревательного элемента 15, под действием которого замыкаются контакты цепи подачи напряжения с выхода датчика 4 тока на нагревательный элемент 15, который поддерживает в термоизоляционном корпусе 14 требуемую температуру. При достижении заданного положительного значения температуры с термозависимого датчика 17 напряжения данные поступают в блок 11 автоматического контроля и управления, который вырабатывает управляющий сигнал на переключение в блоке 10 цепи зарядного тока с выхода преобразователя 3 через датчик 4 тока заряда на вход аккумуляторной батареи 16, а цепь питания нагревательного элемента 15 отключается. Состояние контактов коммутационного аппарата 9 цепи питания нагревательного элемента и переключателя блока 10 цепи заряда АБ постоянно контролируется блоком 11 автоматического контроля и управления, на информационные входы которого с информационных выходов коммутационного аппарата 9 и блока 10 переключения поступает соответствующая сигнализация.
Контроль величины разрядного напряжения батареи и остаточной емкости в аккумуляторной батарее 16, сравнение его с заданным значением осуществляется в блоке 11 автоматического контроля и управления, на вход которого с выхода аккумуляторной батареи 16 подается напряжение, величина которого отображается на индивидуальном индикаторе блока 11 управления и цифровом световом табло 13. Если остаточная емкость батареи 16 не достигла требуемого значения, то производится разряд АБ до требуемого минимального значения.
Разряд аккумуляторной батареи 16 осуществляется по цепи, включающей выход аккумуляторной батареи 16, контакты коммутационного аппарата 7 и вход нагрузочного элемента 8. Замыкание контактов коммутационного аппарата 7 осуществляется под действием управляющего сигнала, поступающего с выхода блока 11 автоматического контроля и управления на управляющий вход коммутационного аппарата 7. По окончании разряда АБ и проверке ее остаточной емкости, аккумуляторная батарея 16 посредством размыкания контактов коммутационного аппарата 7 отключается от нагрузочного элемента 8 и через замкнутые под действием управляющего сигнала с блока 11 контакты блока 10 она подключается к цепи зарядного тока, поступающего с выхода преобразователя 3 напряжения переменного тока через датчик 4 тока заряда.
По окончании заряда посредством размыкания контактов переключателя блока 10 аккумуляторная батарея 16 отключается от источника тока и устройство переходит в исходное состояние. После контроля емкости аккумуляторной батареи 16 и получении блоком 11 данных о ее величине и сравнении их с заданными параметрами АБ, процесс восстановления емкости заканчивается. Затем аккумуляторную батарею 16 вынимают с термоизоляционного корпуса 14 и отправляют на эксплуатацию.
При возникновении в процессе работы устройства восстановления емкости аварийных ситуаций, связанных с пропаданием питания от источника 1 электроэнергии, резком повышении или понижении температуры на аккумуляторной батарее 16, размещенной внутри термоизоляционного корпуса 14, и других ситуациях, устройство отключается от источника 1 переменного тока и включается звуковая сигнализация на акустическом сигнализаторе 12, которая предупреждает обслуживающий персонал об аварийной ситуации, и соответствующие данные отображаются на цифровом световом табло 13.
Технический эффект от предлагаемого устройства восстановления емкости аккумуляторных батарей заключается в сокращении времени восстановления емкости, продлении срока службы батареи до нормы, указанной в нормативных документах, восстановлении оптимальных зарядных и разрядных характеристик аккумуляторной батареи при эксплуатации ее в условиях отрицательных температур окружающей среды.
Наличие блока 11 автоматического контроля и управления, имеющего в своем составе микропроцессор, позволяет заряжать и разряжать аккумуляторную батарею без ручной коммутации, осуществление заряда АБ только при положительных значениях температуры внутри термоизоляционного корпуса, в который помещена АБ, способствовало сокращению времени заряда и соответственно времени восстановления емкости аккумуляторной батареи и продлении ее срока службы.
При этом опыт эксплуатации аккумуляторной батареи в условиях отрицательной температуры минус 20°C и проведение зарядно-разрядных циклов в этих условиях показал, что при использовании известных устройств возможно максимально достичь уровня восстановления только 65-70% от номинальной емкости. В то же время при использовании предлагаемого устройства возможно достичь 90-95% номинальной емкости при заряде аккумуляторной батареи в условиях положительных температур, то есть достигается увеличение емкости в 1,35-1,4 раза при одновременном сокращении времени заряда с 18 до 12 часов.
Кроме того, срок эксплуатации аккумуляторной батареи при отрицательных температурах увеличивается примерно с 3 до 5 лет согласно техническим условиям.
Предлагаемое устройство восстановления емкости аккумуляторных батарей проверялся на аккумуляторной батарее 10НКГЦ-3,5, предварительно проработавшей в условиях отрицательных температур в течение десятков циклов. При этом в каждом цикле были получены положительные результаты.
Источники информации.
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003.
2. Химические источники тока. Справочник. Под ред. Н.В. Коровина, A.M. Скундина. - М.: МЭИ, 2003.