СПОСОБ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ ЗАКРЫТЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПРИ ПОМОЩИ ЗАРЯДА АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ
METHOD FOR ACCELERATED FORMATION AND RECOVERY OF CAPACITANCE OF CLOSED NICKEL-CADMIUM ACCUMULATORS BY MEANS OF CHARGING WITH ASYMMETRIC CURRENT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования и восстановления емкости химических источников тока, и может быть использовано для формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей перед вводом в эксплуатацию при изготовлении и после длительного хранения.
Известен способ заряда и восстановления аккумулятора [Патент РФ №2226019, H01M 10/44, 2002], в котором заряд аккумулятора проводят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты. Частоту импульсов, составляющих зарядный импульс, выбирают в пределах 3÷30 КГц. Импульсы тока высокой частоты приводят к механической вибрации аккумулятора с такой же частотой, что интенсифицирует электрохимические процессы, улучшает доступ электролита к активной массе электродов, улучшает условия движения газов для осуществления процесса рекомбинации. Благодаря импульсам разряда происходит измельчение крупнокристаллических структур на поверхностях элементов аккумулятора, чему способствуют и возникающие в аккумуляторе механические колебания. Однако при данном способе возможны механические повреждения активной массы и основы электродов. Кроме того, формирование зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты приводит к увеличению амплитудных значений токов, что увеличивает газообразование и омические потери в батарее.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату является способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током [Патент РФ №2313864, H01M 10/44; H02J 7/10, 2006], в котором с целью сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых батарей формирование и восстановление емкости проводят заряжая аккумуляторные батареи асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 220±20 мс и разрядного импульса 15±5 мс с паузами между ними 0÷2 мс. Амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,6 от номинальной емкости. Процесс заряда прекращают при сообщении аккумулятору 120÷150% номинальной емкости, что прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов. Это приводит к снижению прироста разрядной емкости от цикла к циклу и, как следствие, к увеличению числа зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора номинальной емкости, т.е. увеличивается общее время формирования и восстановления емкости.
Задачей заявленного изобретения является сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей за счет сокращения числа заряд-разрядных циклов.
Поставленная задача решается тем, что в известный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда аккумулятора разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при отношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, введены новые признаки: амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата - сокращение числа заряд-разрядных циклов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что амплитуду зарядного импульса увеличивают до значения, равного 0,8 от номинальной емкости, что дает возможность вести заряд закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей асимметричным током повышенной плотности. Заряд на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 250÷500% номинальной емкости. Заряд на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 120÷250% номинальной емкости. Сообщение аккумулятору на первом цикле формирования и восстановления зарядной емкости менее 250% номинальной емкости прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов, что снижает прирост разрядной емкости на последующих циклах. Сообщение аккумулятору свыше 500% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору на последующих циклах формирования и восстановления емкости ниже 120% номинальной емкости не дает прироста разрядной емкости. Сообщение аккумулятору свыше 250% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору и аккумуляторной батарее на первом цикле зарядной емкости в выбранных пределах создает условия непрерывности процесса преобразования активной массы, а выбранные пределы сообщения зарядной емкости на последующих циклах создают эффект увеличения прироста разрядной емкости от цикла к циклу, вследствие чего число зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора аккумулятором и аккумуляторной батареей номинальной емкости, сокращается. Введение новых признаков позволяет получить эффект, который предусмотрен в задаче, а именно: сократить общее время, необходимое для набора аккумулятором номинальной емкости.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники.
Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его исполнения, конкретных формах его материального воплощения либо особых условиях его использования, а именно: заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.
За счет реализации совокупности признаков, указанных в предложенном техническом решении, обеспечивается значительное сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей.
Заявленный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током проверяли на четырех группах аккумуляторов (по три аккумулятора в каждой группе) номинальной емкостью 20 А·ч при формировании свежеизготовленных аккумуляторов - группа один (аккумуляторы №1, №2 и №3) и группа два (аккумуляторы №4, №5 и №6); при восстановлении емкости аккумуляторов после длительного хранения - группа три (аккумуляторы №7, №8 и №9) и группа четыре (аккумуляторы №10, №11 и №12).
Формирование емкости первой группы аккумуляторов в количестве трех штук (№1, №2, №3) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 450% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости первой группы аккумуляторов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты формирования емкости аккумуляторов №1, №2, №3
№№ циклов
Заряд
Разряд
Ток, А
С<sub>заряда</sub>, А·ч
Ток, А
С<sub>разряда</sub>, А·Ч
№1
№2
№3
С<sub>ср</sub>
1
10
90
10
13,20
14,27
13,92
13,80
2
10
40
10
17,51
16,69
18,03
17,41
3
10
40
10
19,51
21,75
20,01
20,42
Формирование емкости второй группы аккумуляторов в количестве трех штук (№4, №5, №6) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах формирования прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 A до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости второй группы аккумуляторов представлены в таблице 2.
Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа формирования емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в трехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов формирования по сравнению со способом-прототипом.
Восстановление емкости третьей группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№7, №8, №9), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного
Таблица 2
Результаты формирования емкости аккумуляторов №4, №5, №6
№№ циклов
Заряд
Разряд
Ток, А
С<sub>заряда</sub>, А·ч
Ток, А
С<sub>разряда</sub>, А·Ч
№4
№5
№6
С<sub>ср</sub>
1
8
30
10
9,01
9,86
10,11
9,66
2
8
30
10
11,53
10,90
10,25
10,89
3
8
30
10
10,35
11,29
11,83
11,16
4
8
30
10
11,21
12,43
12,75
12,13
5
8
30
10
13,46
13,95
14,18
13,86
6
8
30
10
14,57
15,13
15,79
15,16
7
8
30
10
16,52
18,64
19,61
18,26
8
8
30
10
18,04
19,51
19,95
19,17
9
8
30
10
19,16
20,18
20,81
20,05
импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 250% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №7 - 15,47 А·ч, аккумулятора №8 - 17,25 А·ч, аккумулятора №9 - 16,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты восстановления емкости аккумуляторов №7, №8, №9
№№ циклов
Заряд
Разряд
Ток, А
С<sub>заряда</sub>, А·ч
Ток, А
С<sub>разряда</sub>, А·ч
№7
№8
№9
С<sub>ср</sub>
1
10
50
10
20,21
20,68
20,36
20,42
2
10
40
10
20,38
20,89
20,44
20,57
Восстановление емкости четвертой группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев (№10, №11, №12), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах восстановления емкости прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора №10 - 16,10 А·ч, аккумулятора №11 - 15,25 А·ч, аккумулятора №12 - 17,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 4.
Таблица 4
Результаты восстановления емкости аккумуляторов №10, №11, №12
№№ циклов
Заряд
Разряд
Ток, А
С<sub>заряда</sub>, А·ч
Ток, А
С<sub>разряда</sub>, А·ч
№10
№11
№12
С<sub>ср</sub>
1
8
30
10
18,01
18,86
17,11
17,99
2
8
30
10
18,93
19,31
18,25
18,83
3
8
30
10
19,35
20,19
19,83
19,79
4
8
30
10
20,15
20,95
20,24
20,45
Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа восстановления емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в четырехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов восстановления емкости по сравнению со способом-прототипом.
Предлагаемый способ может быть реализован и в частном случае (в зависимости от типа аккумуляторов), когда заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.