СПОСОБ БЫСТРОГО ЗАРЯДА ЩЕЛОЧНЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГЕРМЕТИЧНОГО АККУМУЛЯТОРА
QUICK CHARGING METHOD OF ALKALINE SEALED ACCUMULATORS AND ACCUMULATOR BATTERIES, AND MEASUREMENT METHOD OF INTERNAL TEMPERATURE OF SEALED ACCUMULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам ускоренного заряда вторичных химических источников тока и может быть использовано для заряда аккумуляторов, основная стратегия заряда которых заключается в пропускании постоянной величины действующего значения зарядного тока, например, никель-металлогидридных (Ni-MH) и никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов и аккумуляторных батарей.
Целью изобретения является сокращение времени заряда аккумуляторов без их перегрева и повреждения, создание универсального способа быстрого заряда, не чувствительного к разбросу параметров различных экземпляров аккумуляторов, повышение коэффициента использования зарядного тока, определение критерия прекращения заряда, повышение точности и уменьшение постоянной времени измерений температуры заряжаемых аккумуляторов.
Уровень техники
В настоящее время все чаще возникает необходимость быстрого заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей при использовании их для бытовой аппаратуры и тем более для аппаратуры, работающей в производстве. Кроме того, желательно, чтобы способ быстрого заряда позволял создать универсальное зарядное устройство, способное без перенастройки заряжать аккумуляторы различных марок (производителей). При разработке такого метода необходимо преодолеть три проблемы. Первая - это проблема перегрева аккумулятора, т.к. перегрев приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик и даже к разрушению аккумулятора. Второй весьма серьезной проблемой является определение критерия окончания заряда аккумуляторных элементов и батарей, особенно при высоких скоростях заряда, который обеспечил бы максимально возможную степень заряда аккумулятора без его повреждения. И третьей проблемой является универсальность способа, т.к. существующие способы ускоренного заряда требуют точной настройки параметров зарядного устройства (ЗУ) на конкретную марку (производителя) [1] и даже на конкретный экземпляр аккумулятора.
max
Для сокращения времени заряда было разработано множество систем для ускоренной перезарядки аккумуляторов и аккумуляторных батарей. В большинстве этих систем общепринято осуществлять заряд постоянным по величине током с контролем напряжения и/или температуры заряжаемого аккумулятора и прекращать заряд или изменять подключаемый к аккумулятору зарядный ток до безопасной величины («минутный» или «тонкоструйный» ток дозаряда), когда температура или напряжение достигают заранее установленного уровня. Типичное предыдущее изобретение описано в патенте США 4006397, 1980, кл. H02J 7/10. Такой способ заряда аккумуляторов имеет ряд недостатков. Во-первых, заряд постоянным по величине током для большинства марок аккумуляторов возможен только до значений 1C (С - величина тока, численно равная емкости аккумулятора) при обязательном специфическом контроле процесса заряда [2]. Дальнейшее увеличение зарядного тока с целью сокращения времени заряда приводит к быстрому перегреву аккумулятора, что влечет за собой или преждевременное прекращение заряда, или ранний переход на безопасный ток дозаряда. В результате этого происходит соответственно либо неполный заряд аккумулятора, либо значительное увеличение времени полного заряда. Во-вторых, абсолютная температура аккумулятора зависит как от нагрева его при заряде, так и от температуры окружающей среды, которая в реальных условиях эксплуатации может изменяться в широких пределах (от 0°С до 40°С). Следовательно, при применении метода T аккумуляторная батарея может быть слишком перезаряжена, если температура окружающей среды понижается, либо батарея может получить недостаточно заряда, если температура окружающей среды значительно повышается [3]. В-третьих, напряжение аккумулятора в конце заряда, как известно [4], зависит от многих факторов, таких как марка (производитель) аккумулятора, его температура, наработка аккумулятора и др., и может принимать значения в широком диапазоне. Паспортная величина конечного напряжения показывает только статистический параметр, а разброс его у аккумуляторов даже в одной партии может быть заметным. Поэтому критерий окончания заряда по напряжению не нашел широкого применения.
С целью уменьшения разогрева аккумулятора и газовыделения при его заряде большим током предложено много вариантов нестационарных режимов заряда, к которым относятся различные методы импульсного (пульсирующего) заряда и заряд знакопеременным асимметричным током, т.е. наложение разрядного импульса в паузе между зарядными (Пат. РФ 2088000, 1997, кл. Н01М 10/44. Зорохович А.Е. и др. Устройство для заряда и разряда аккумуляторных батарей. - М.: Энергия, 1975, 4.3., Вайнел Дж. Аккумуляторные батареи. Изд. 4. - М.-Л.: ГЭИ, 1960, с.366, 367. Авторское свидетельство СССР N537407, кл. H02J 7/12, 1976. Авторское свидетельство СССР N411552, кл. Н01М 45/04, 1974. Авторское свидетельство СССР N577609, кл. H02J 7/10, 1977). Так, известен способ [Патент РФ 2207665, Н01М 10/44, H02J 7/00] быстрого заряда никель-кадмиевых аккумуляторов разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами импульсов разрядного и зарядного токов при соотношении 3,0±0,2 с амплитудами зарядного тока 1,2÷0,8 от номинальной емкости при длительности зарядного импульса (230±10) мс и разрядного импульса (15±5) мс с паузами между ними 0÷2 мс, процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения.
Однако согласно исследованиям [5, 6, 7] оптимальный режим заряда переменным асимметричным током зависит от внутреннего сопротивления аккумулятора как омического, так и поляризационного, толщины электродов, пористости электродов и т.д. В связи с этим оптимальный режим заряда в принципе не может быть одним и тем же для разных типов аккумуляторов, различающихся типом электродов, способом их изготовления, толщиной электродов и т.д. Видимо поэтому автор ограничил средний зарядный ток величиной 1C. Кроме того, прекращение заряда при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения, как показано выше, не обеспечивает необходимой точности.
Известен способ [Патент Российской Федерации 2293402, Н01М 10/44, H02J 7/00] ускоренного заряда щелочных аккумуляторов разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов, отличающийся тем, что соотношение амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношение длительностей разрядного и зарядного импульсов τ определяется индивидуально для каждого типа аккумуляторов с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷10 и τ=0,1÷0,9 соответственно, процесс заряда прекращается при достижении напряжения на аккумуляторе порогового значения.
Основной недостаток этого способа - полное отсутствие универсальности, т.к. параметры заряда необходимо определять индивидуально для каждого типа аккумуляторов. Кроме того, в этом способе, как и в предыдущем, отсутствует надежный критерий прекращения заряда.
Известен способ (Патент РФ 2210841, Н01М 10/44, H02J 7/00), при котором окончание заряда фиксируется посредством определения спада функции напряжения на аккумуляторе от времени заряда U(t) на величину DU=5÷20 мВ после прохождения максимума функции. Этот способ, известный в литературе также под названием "критерий -ΔU", при определенных условиях позволяет достаточно точно определять момент прекращения заряда. Но, как показали проведенные исследования, при охлаждении заряжаемого аккумулятора с использованием вынужденной конвекции с увеличением скорости охлаждающего потока воздуха критерий -ΔU смещается в сторону более продолжительного времени заряда и абсолютная величина -ΔU уменьшается, а затем критерий не детектируется вовсе. То есть данный критерий зависим от условий теплоотвода аккумулятора, что ограничивает его применимость и снижает надежность. Кроме того, как будет показано ниже, последнюю фазу быстрого заряда необходимо проводить уменьшаемым по величине током, а в этом случае данный способ вообще неприменим.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой группе изобретений является способ ускоренного заряда аккумуляторных батарей и устройство для его осуществления, изложенные в патенте РФ 2218646, 2001, H01M 10/44, H02J 7/00. Способ заключается в пропускании через аккумуляторную батарею последовательности прямоугольных импульсов тока частотой 10-1000 Гц с постоянной величиной напряжения при постепенном уменьшении в ходе заряда амплитуды тока до 20% от исходной величины. Величину напряжения для каждого типа аккумуляторных батарей подбирают экспериментально в зависимости от температуры окружающей среды в диапазоне 1,47-4,5 В. Способ обеспечивает заряд полностью разряженного аккумулятора до уровня 80-90% номинала заряженности за 1 час и полный заряд за 2 часа при коэффициенте использования тока, близком к 100%, практическом отсутствии разогрева аккумулятора, и рабочем давлении, не превышающем 0,5-0,8 ати. При этом на заряд в указанном режиме может быть установлена аккумуляторная батарея с любым уровнем заряженности в связи с тем, что на основном участке заряда (до достижения 80% емкости) величина тока в импульсе автоматически определяется параметрами самой аккумуляторной батареи и температурой окружающей среды, что исключает ее перезаряд.
Положительным в этом способе заряда является то, что применено регулирование зарядного тока, но сам метод регулирования далек от оптимального. Как отмечает сам автор, при постоянстве амплитудного значения напряжения импульсов зарядного тока, или при заряде постоянным напряжением, ЗУ потребляет в начале заряда очень большой ток, который затем быстро уменьшается по экспоненциальной зависимости. Увеличение скважности импульсов по мере заряда аккумулятора приводит к еще большему снижению среднего зарядного тока. Таким образом, заряд начинается чрезмерно большим током, который затем быстро уменьшается и к моменту окончания заряда аккумулятора достигает 20% от первоначального значения. Так как время заряда до уровня 80-90% номинала по данному способу составляет 1 час, то эквивалентным будет заряд постоянным по действующему значению током примерно 1C. А заряд постоянным током 1C до 80% емкости аккумулятора, как будет показано ниже, проходит практически без разогрева аккумулятора при коэффициенте использования тока, близком к 100%. При этом зарядный ток по крайней мере в два раза меньше стартового тока по данному способу. Таким образом, способ заряда при постоянном уменьшении тока не обеспечивает максимально возможную плотность зарядного тока, что, в результате, приводит к значительному увеличению времени полного заряда. Поэтому предложенное зарядное устройство с использованием данного способа, которое должно иметь выпрямитель с силой тока не менее 2С, обеспечивает полный заряд аккумулятора только за 2 часа. Также существенным недостатком данного способа является то, что величину напряжения для каждого типа аккумуляторных батарей (точнее - для каждой конкретной батареи) необходимо подбирать экспериментально, что не позволяет создать универсальное зарядное устройство. Кроме того, в данном способе заряда отсутствует критерий прекращения заряда.
Раскрытие изобретения
x.p.
1. Для пояснения обоснования способа на фиг.1 приведены экспериментально полученные графики тока химической реакции накопления энергии аккумулятора по времени I(t) и температуры нагрева аккумулятора ΔT(t) при прохождении через него постоянного тока 2,3 С. Из графиков видно, что процесс заряда можно условно разделить на два этапа:
- на первом этапе, время которого составляет примерно половину времени полного заряда, практически весь ток идет через химическую реакцию накопления энергии и температура нагрева аккумулятора, при этом повышается относительно медленно. За это время аккумулятор получает заряд до 70÷80% своей емкости;
- на втором этапе заряда ток химической реакции накопления энергии быстро падает, а температура нагрева аккумулятора при этом быстро повышается.
р
3
р
3
Измерения, проведенные на аккумуляторной батарее GP T314, показали, что при заряде постоянным током 1C до 78÷80% емкости батареи коэффициент использования зарядного тока (η), т.е. отношение количества электричества, отданного батареей при разряде (С), к количеству электричества, прошедшего через батарею при заряде (Q), превышает 99%, т.е. η=С/Q>99%. При этом аккумуляторная батарея имеет незначительный нагрев.
На втором этапе интенсивного спада тока химической реакции и соответственно увеличения избыточного тока, который быстро нагревает аккумулятор, η при заряде без изменения величины зарядного тока не превышает 40% в первой половине второго этапа заряда и составляет единицы процентов во второй половине.
Отсюда следует, что на первом этапе заряда не требуется никакой регулировки зарядного тока, т.е. заряд может осуществляться стабилизированным по действующему значению током. При этом сам ток может быть как постоянным, так и импульсным, или знакопеременным - по желанию заказчика. Автором использовался постоянный ток.
з
р
р
р
Второй этап заряда с целью уменьшения избыточного тока необходимо осуществлять регулируемым по величине зарядным током. Для этого требуется точно знать, в какой момент времени начинать регулирование и в каком темпе снижать зарядный ток, т.к. отклонение этих параметров от оптимального значения приведет или к увеличению времени заряда, или к перегреву аккумулятора. При оптимальном регулировании снижение зарядного тока практически не влияет на величину тока химической реакции и поэтому время полного заряда остается таким же, как и при заряде без снижения зарядного тока. С целью проверки данного утверждения проведена серия заряд-разрядных циклов аккумулятора GP25AAAM при постоянном и регулируемом зарядном токе. Во всех циклах величина зарядного тока I=0,95С. При заряде постоянным током время полного заряда по критерию -ΔU составило 70 минут и дальнейшее увеличение времени заряда до 94-х минут не приводило к увеличению разрядной емкости С. При зарядах регулируемым током на втором этапе заряда также в течение 70 минут получены идентичные значения С и при дальнейшем увеличении времени заряда до 92 минут увеличения разрядной емкости С не наблюдалось.
2
2
2
2
0
2. Для осуществления оптимального процесса заряда необходимо определить критерий Кр.1 перехода на второй этап и критерий Кр.2 уменьшения величины зарядного тока. Параметром, позволяющим определить эти критерии, является температура нагрева аккумулятора. Как видно на фиг.1, одновременно с уменьшением тока химической реакции накопления энергии увеличивается скорость роста температуры нагрева dT/dt аккумулятора. Причем важно, что это явление не зависит от относительной величины тока заряда и от разброса параметров самих аккумуляторов. Поэтому универсальным параметром для определения критерия Кр.1 перехода на второй этап заряда является изменение скорости роста температуры dT/dt аккумулятора, т.е. вторая производная температуры по времени dT/dt. Однако в практических применениях использование непосредственно параметра dT/dt затруднено по причине неравномерности нагрева аккумулятора, что приводит к ложному детектированию критерия. Поэтому предлагается более надежный и точный метод определения данного критерия, который основан на определении соотношения текущего значения dT/dt и среднего значения dT/dt за время от начала процесса заряда до текущего момента времени (фиг.2). Среднее значение dT/dt за время от начала процесса заряда до текущего момента времени определяется как (Т-Т)/t,
где Т - текущее значение температуры аккумулятора;
0
Т - температура аккумулятора в момент начала процесса заряда;
t - текущее значение времени от начала процесса заряда.
0
0
В момент времени, когда dT/dt становится больше, чем (Т-Т)/t, т.е. выполняется неравенство dT/dt>(Т-Т)/t, детектируется критерий перехода на регулируемый этап заряда Кр.1.
В практических применениях удобнее использовать не производную dT/dt, а отношение ΔТ/Δt, где ΔT - изменение температуры аккумулятора за время Δt, равное периоду регистрации температуры (фиг.3). В этом случае детектирование критерия Кр.1 происходит при выполнении неравенства
0
ΔT/Δt>(T-T)/t
или
n
n-1
n
0
(T-T)>(T-Т)/n,
n
где T - текущее значение температуры аккумулятора;
n - порядковый номер регистрации текущей температуры от начала процесса заряда;
n-1
T - температура аккумулятора при предыдущей регистрации.
Необходимо отметить, что в начале процесса заряда наблюдается быстрый, но неравномерный рост температуры аккумулятора, что может приводить к ложному детектированию критерия Кр.1, поэтому начинать детектирование Кр.1 необходимо на 3÷5 минуте от начала процесса заряда.
0
3. На тот случай, если на заряд будет установлен аккумулятор, не предназначенный для скоростного заряда по причине повышенного тепловыделения, предусматривают резервный критерий Кр.1.1 перехода на регулируемый зарядный ток. Резервный критерий заключается в том, что если до детектирования критерия Кр.1 разность температур Т-Т превысит предварительно установленную величину, которая выбирается из диапазона (10÷12)К, то осуществляют перевод процесса заряда на регулируемый зарядный ток. При этом время заряда увеличится, но аккумулятор будет заряжен без существенного перегрева.
4. Регулирование зарядного тока на втором этапе следует проводить таким образом, чтобы максимально снизить избыточный ток, но при этом не уменьшить ток накопления энергии. При недостаточном снижении зарядного тока аккумулятор перегреется, а при чрезмерном увеличится время заряда или заряд может прекратиться.
0
1
Близким к оптимальному является способ, когда аккумулятор через температуру нагрева сам управляет величиной действующего значения зарядного тока. При этом текущее значение тока I определяется по соотношению I=I(1-α·ΔT),
0
где I - значение зарядного тока на первом этапе заряда;
-1
α - коэффициент пропорциональности между температурой и током с размерностью К;
1
1
1
1
ΔT - разность между текущей температурой аккумулятора Т и температурой аккумулятора T, зафиксированной в момент перехода на второй этап заряда, т.е. ΔT=Т-T.
1
При таком способе заряда коэффициент а влияет на величину превышения зарядного тока над током химической реакции накопления энергии и тем самым определяет темп роста температуры нагрева аккумулятора на втором этапе заряда и предельную температуру аккумулятора в конце заряда. Причем аккумулятор не может нагреться на температуру, более чем ΔTmax=T+1/α, т.к. при такой температуре зарядный ток будет равен нулю. Это свойство данного способа позволяет не применять резервный критерий прекращения заряда по критической температуре нагрева аккумулятора.
-1
ак.
1
Значение коэффициента α определяют исходя из требований к температурному режиму заряда аккумулятора. Так, при α=0,15±0,05 (К) средний установившийся темп роста температуры в первой половине второго этапа заряда примерно равен среднему установившемуся темпу роста температуры в середине первого этапа заряда. Для иллюстрации на фиг.4 приведены графики параметров зарядного процесса при α=0,15. На графике температуры нагрева аккумулятора ΔТ(t) видно, что средние темпы роста температуры между точками ab и cd примерно равны. Температура нагрева аккумулятора в момент окончания заряда составила 13 К, а разность температур ΔT=4,2 К.
-1
1
С увеличением значения коэффициента а темп роста температуры и конечная температура аккумулятора уменьшаются, а коэффициент использования зарядного тока увеличивается. При α=1,0 К темп роста температуры близок к нулю, разность температур ΔT<1 К, а коэффициент использования зарядного тока приближается к 100%.
-1
5. В конце процесса заряда аккумулятора, когда ток химической реакции накопления энергии приближается к нулю и избыточный ток больше не получает подпитки за счет снижения указанного тока, наступает термодинамическое равновесие, т.е. интенсивность тепловыделения в аккумуляторе при прохождении электрического тока и интенсивность теплоотвода в окружающую среду становятся равными. При этом рост температуры аккумулятора прекращается. Это явление наблюдается и при заряде постоянным по действующему значению током, но в этом случае термодинамическое равновесие устанавливается относительно медленно, т.к. заряд завершается при большом избыточном токе с тепловым разгоном аккумулятора (фиг.5). А при управлении зарядным током по температуре нагрева аккумулятора этот процесс происходит достаточно быстро. На этом принципе основан критерий прекращения заряда Кр.2, который заключается в том, что заряд прекращают, когда темп роста температуры аккумулятора ΔT/Δt, приближаясь к нулю, становится меньше некоторого порогового значения. Пороговое значение ΔT/Δt зависит от выбранного значения коэффициента α. При α=0,15±0,05 (К) пороговое значение ΔT/Δt задают из интервала от 0,2 К/мин до минус 0,2 К/мин и корректируют под конкретное воплощение способа измерения температуры аккумулятора.
ак.
Критерий Кр.2 прекращения заряда проверен на разных аккумуляторах при различных режимах заряда и дал положительный результат. Характерные графики изменения по времени температуры нагрева аккумулятора ΔТ(t) и скорости роста температуры ΔT/Δt в процессе и в конце заряда приведены на фиг.6. Данная диаграмма относится к варианту перехода на второй этап заряда по критерию Кр.1. В этом случае, как видно из графика функции ΔT/Δt=f(t), детектирование критерия Кр.2 можно начинать в любой момент времени, например, одновременно с переходом на второй этап заряда.
0
При переходе на регулируемый этап заряда по критерию Кр.1.1 однозначно определить момент начала детектирования критерия Кр.2 затруднительно, т.к. регулирование тока начинается в зоне первого этапа, где практически весь зарядный ток идет через химическую реакцию накопления энергии. Поэтому от момента начала регулирования зарядного тока до фактического окончания первого этапа заряда будет происходить ложное детектирование критерия Кр.2, что видно на диаграмме фиг.7, где представлены графики зарядного процесса с переходом на режим регулирования зарядного тока по критерию Кр.1.1. В этом случае начинать детектирование критерия Кр.2 необходимо после фактического завершения первого этапа заряда. В простом варианте детектирование критерия Кр.2 начинают с задержкой по времени от момента начала регулирования зарядного тока. Время задержки зависит от скорости заряда, т.е. от относительной величины начального зарядного тока I. При зарядном токе 4С время задержки составляет примерно 10 минут.
Более точно момент начала детектирования критерия Кр.2 определяют по эффекту некоторого увеличения скорости нагрева аккумулятора, который проявляется с началом снижения тока химической реакции накопления энергии, т.е. во время фактического окончания первого этапа заряда. На диаграмме фиг.7 это происходит после 15 минуты от начала зарядного процесса. При этом детектирование критерия Кр.2 начинают с момента времени, когда скорость нагрева превысит некоторый заданный порог.
-1
6. На диаграммах фиг.6 и 7 видно, что при регулировании зарядного тока по температуре нагрева аккумулятора функция I=f(t) является зеркальным отображением функции ΔT=f(t). Поэтому в качестве варианта для определения критерия прекращения заряда может служить функция I=f(t), т.е. когда абсолютная величина скорости уменьшения зарядного тока ΔI/Δt становится меньше предварительно установленной величины, то это является критерием прекращения заряда Кр.2.1. Кроме того, если выбранное значение коэффициента α превышает 0,3 К, то по причине малого темпа роста температуры аккумулятора детектирование критерия Кр.2 по температуре может быть затруднено. В этом случае предпочтительным является детектирование критерия прекращения заряда по функции I=f(t).
7. Никель-металлогидридные (Ni-MH) и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы имеют высокую удельную энергию относительно площади наружной поверхности аккумулятора. Поэтому на больших скоростях заряда при теплоотдаче в режиме свободной конвекции не обеспечивается достаточный теплоотвод. Обдув заряжаемого аккумулятора потоком воздуха окружающей среды позволяет значительно улучшить теплоотвод и сделать его достаточным, т.к. коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции в воздухе до 10 раз больше, чем при свободной конвекции [8]. Обдув осуществляют с применением вентилятора, преимущественно центробежного типа, воздуховода и сопел, направляющих потоки воздуха на аккумулятор.
На фиг.8 приведены сравнительные графики изменения температуры нагрева аккумулятора по времени при зарядном токе 3С и при различных условиях теплоотвода. На графиках скорость потока и расход воздуха при «Вынужденной конвекции 2» больше, чем при «Вынужденной конвекции 1». В практических применениях достаточно обеспечить такую скорость потока и расход воздуха, при которой температура нагрева заряжаемого аккумулятора к моменту окончания первого этапа заряда будет в пределах 5÷10 К.
Применение вынужденной конвекции для отвода тепла совместно с регулированием зарядного тока на втором этапе позволяет проводить заряд аккумуляторов без перегрева начальным током до 5С и выше (см. фиг.6).
0
0
8. Как правило, аккумулятор, устанавливаемый на заряд в зарядное устройство, имеет температуру, превышающую температуру окружающей среды на некоторую величину ΔТ, а чем выше начальная температура аккумулятора, тем выше его температура во время и в конце заряда. Поэтому полезно, особенно в условиях жаркого климата, до начала зарядного процесса быстро охладить аккумулятор до относительной температуры ΔТ=(0,2÷1,0)К. Охлаждение аккумулятора при вынужденной конвекции, т.е. с обдувом воздухом окружающей среды, позволяет снизить его температуру до указанной величины за 3÷5 минут.
к
После завершения зарядного процесса аккумулятор имеет повышенную температуру, поэтому также полезно быстро снизить ее до начала немедленного использования заряженного аккумулятора по назначению. В этом случае при охлаждении с вынужденной конвекцией, обычно достаточно 3÷5 минут, чтобы уменьшить относительную температуру ΔТ аккумулятора в 2÷4 раза. Момент времени окончания процесса послезарядного охлаждения определяется или по заранее заданной разности температур аккумулятора и окружающей среды ΔТ, или таймером по заранее установленному времени.
9. В целом описанный выше способ заряда аккумуляторов может включать в себя следующие стадии:
0
- быстрое охлаждение аккумулятора до предварительно заданной температуры ΔТ;
- первый этап заряда постоянным по действующему значению током, длящийся до момента детектирования критерия Кр.1. На этом этапе аккумулятор заряжается до 70÷80% своей емкости. Если заряжаемый аккумулятор имеет повышенное тепловыделение, то первый этап заряда может прекратиться досрочно при более раннем детектировании резервного критерия Кр.1.1;
- переход на второй этап заряда при детектировании критерия Кр.1 или резервного критерия Кр.1.1;
1
- второй этап заряда регулируемым по действующему значению током, на котором зарядный ток уменьшается обратно пропорционально росту температуры ΔT, и который продолжается до момента детектирования критерия прекращения заряда Кр.2;
- прекращение заряда при детектировании критерия Кр.3;
к
- быстрое охлаждение аккумулятора, которое прекращается или при снижении температуры до предварительно заданного уровня ΔТ, или по сигналу таймера.
Графики полного цикла переподготовки аккумулятора при величине зарядного тока первого этапа 4С с предварительным и послезарядным охлаждением представлены на фиг.9.
р
з
Способ позволяет создать зарядное устройство для щелочных герметичных никель-металлогидридных (Ni-MH) и никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов и аккумуляторных батарей, способное производить без перегрева полный заряд, т.е. заряд от состояния полной разряженности до состояния 100%-й заряженности, указанных аккумуляторов за время 17 минут и менее. При этом коэффициент использования зарядного тока η=С/Q превышает 90% и при выборе соответствующего значения коэффициента α может достигать 99%. В способе отсутствует необходимость измерения напряжения заряжаемых аккумуляторов, поэтому он полностью индеферентен к разбросу этого параметра у различных аккумуляторов.
з
10. У никель-металлогидридных аккумуляторов отсутствует "эффект памяти" [2], поэтому их можно заряжать без предварительного доразряда. С целью проверки предлагаемого способа на работоспособность при данных условиях проведена серия заряд-разрядных циклов с различным остаточным зарядом аккумуляторов. Характерные графики данных зарядных процессов приведены на фиг.10. На диаграмме обозначено: I - ток зарядный в относительных единицах С, ΔT - разность температур аккумулятора и окружающей среды, -1, -2, -3 - заряд аккумулятора с остаточным зарядом соответственно %: 0, 20, 40. Способ показал полную работоспособность при заряде аккумуляторов с остаточным зарядом от 0% до 40%.
11. Описанный выше способ заряда аккумуляторов и их пред- и послезарядной подготовки полностью основан на измерении температуры заряжаемых аккумуляторов. Процесс заряда происходит при непрерывном тепловыделении внутренним источником теплоты переменной мощности с одновременной теплоотдачей через корпус аккумулятора. Следовательно, температура внутри аккумулятора всегда выше и изменяется быстрее, чем температура наружной поверхности корпуса, особенно при теплоотводе с вынужденной конвекцией. Поэтому необходимо осуществлять данные измерения таким способом, который позволяет определять температуру внутри аккумулятора и при котором постоянная времени измерений будет минимальной. Так как поместить термоэлектрический преобразователь внутрь герметичного аккумулятора затруднительно, то необходимо осуществить указанные требования измерений при расположении термоэлектрического преобразователя на наружной поверхности аккумулятора.
В установившейся практике создают простой тепловой контакт термоэлектрического преобразователя, обычно термистора, с аккумулятором, прижимая или прикрепляя его к корпусу аккумулятора или аккумуляторной батареи. Так, известен узел [Патент РФ 2331956, Н01М 10/48, 17.10.2005] для измерения напряжения и температуры аккумуляторов в аккумуляторной батарее, который содержит измеряющие температуру элементы (термисторы), прикрепленные к поверхностям отдельных аккумуляторов, и печатную плату для крепления выводов измеряющих температуру элементов.
При таком способе невозможно измерить не только внутреннюю температуру аккумулятора, но даже температуру его корпуса, т.к. внешняя поверхность термистора имеет тепловой контакт с окружающей средой и определенная часть теплоты, поступающей от корпуса аккумулятора и нагревающая термистор, рассеивается в окружающую среду. При этом средняя по объему термистора температура всегда будет ниже температуры стенки корпуса аккумулятора в месте контакта.
Предлагаемый способ основан на следующем.
Температурное поле в поперечном сечении цилиндрического аккумулятора при равномерной по периметру теплоотдаче имеет концентрическую кольцевую форму изотерм. Если на некотором отрезке дуги периметра расположить слой с высоким термическим сопротивлением, т.е. перекрыть теплопередачу на этом отрезке, то температурное поле внутри аккумулятора исказится определенным образом [8]. Характер искажения температурного поля показан на фиг.11. Как видно из рисунка, некоторые изотермы внутренних слоев аккумулятора замкнутся на корпус, т.е. корпус под теплоизолирующим слоем нагреется до температуры внутренних слоев аккумулятора. Расположив на стенке аккумулятора под центром теплоизолирующего слоя термоэлектрический преобразователь, преимущественно термистор, можно измерить температуру его внутренних слоев. Кроме того, теплоизоляция термоэлектрического преобразователя от окружающей среды повышает точность и уменьшает постоянную времени измерений.
Как правило, поверхность термоэлектрического преобразователя, контактирующая с аккумулятором, имеет форму, отличную от формы корпуса аккумулятора. Поэтому термический контакт осуществляется не по площади, а в отдельных точках, что создает большое термическое сопротивление перехода аккумулятор - термоэлектрический преобразователь. Для уменьшения термического сопротивления перехода контакт термоэлектрического преобразователя с аккумулятором осуществляют через эластичную теплопроводящую прокладку с малой собственной теплоемкостью, что также уменьшает постоянную времени и повышает точность измерений.
Пример осуществления способа измерения температуры аккумулятора.
Конструкция устройства измерения внутренней температуры аккумулятора на основе термоэлектрического преобразователя, преимущественно термистора, показана на фиг.12.
Датчик состоит из термоэлектрического преобразователя 1, корпуса 2 и прокладки 3. Корпус датчика изготавливают из любого достаточно прочного теплоизоляционного материала с малой удельной теплоемкостью. Форму поверхности корпуса, обращенную к аккумулятору, выполняют в соответствии с формой корпуса аккумулятора. От размеров локальной термоизолируемой поверхности аккумулятора зависит глубина измерения температуры, поэтому наружный размер корпуса D должен быть не менее 1/2 диаметра цилиндрического аккумулятора, или 1/2 толщины призматического аккумулятора. Термоэлектрический преобразователь тыльной стороной крепят в углублении корпуса, а с противоположной стороны к нему крепят прокладку из эластичного теплопроводящего материала с малой удельной теплоемкостью, например из силикона с наполнителем из угольного порошка или алюминиевой пудры. Поверхность прокладки, обращенная в сторону аккумулятора, в свободном состоянии должна несколько выступать за пределы корпуса (фиг.12А). При прижатии аккумулятора к устройству (фиг.12Б) прокладка деформируется и плотно облегает корпус аккумулятора, чем обеспечивается хороший тепловой контакт. Прокладка служит для уменьшения термического сопротивления между аккумулятором и термоэлектрическим преобразователем.
Данное устройство позволяет измерять температуру внутри герметичного аккумулятора через его корпус при минимальной постоянной времени измерений системы аккумулятор - термоэлектрический преобразователь.
12. Пример реализации способа заряда аккумуляторов.
В качестве примера реализации описанного выше способа заряда аккумуляторов ниже приведено описание устройства быстрого заряда, работающего на постоянном токе. Схема устройства приведена на фиг.13. Устройство содержит:
блок питания (1);
кнопку «Пуск»;
ключ 1 (2);
вентилятор (3);
блок стабилизаторов напряжения (4);
ключ 2 (5);
датчик температуры окружающей среды ДТ2 (6);
датчик температуры аккумулятора ДТ1 (7);
блок установки и подключения аккумулятора (8);
блок усилителей (9);
ак.
окр.ср
блок измерения температур Т и Т (10);
управляемый источник тока (11);
цифроаналоговый преобразователь ЦАП (12);
микроконтроллер (13);
аналого-цифровой преобразователь АЦП (16);
указатель емкости аккумулятора (15).
ак.
окр.ср
ак.
окр.ср
0
1
0
1
Выход блока питания (1) соединен с входами кнопки пуск и ключа 1 (2), выходы которых соединены с входами ключа 2 (5) и блока стабилизаторов напряжения (4). Выход ключа 2 (5) соединен с первой клеммой для подключения аккумулятора в блоке установки и подключения аккумулятора (8), а вторая клемма блока (8) соединена с входом управляемого источника тока (11). Блок стабилизаторов напряжения (4) предназначен для питания соответствующими напряжениями всех электронных устройств и вентилятора (3). Датчик температуры аккумулятора ДТ1 (7) имеет тепловой контакт с заряжаемым аккумулятором, и его выход, как и выход датчика температуры окружающей среды ДТ2 (6), соединен с входом блока измерения температур Т и Т (10). Выход блока измерения температур Т и Т (10) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя АЦП (14), выход которого соединен с входом микроконтроллера (13). Выход указателя емкости аккумулятора (15) соединен с входом микроконтроллера (13). Выходы микроконтроллера (13) соединены с входами цифроаналогового преобразователя ЦАП (12) и блока усилителей (9). Выход ЦАП (12) соединен с управляющим входом источника тока (11). Соответствующие выходы блока усилителей (9) соединены с управляющими входами ключа 1 (2), ключа 2 (5) и двухуровневого стабилизатора напряжения блока стабилизаторов напряжения (4). Выход двухуровневого стабилизатора напряжения блока стабилизаторов напряжения (4) соединен с электродвигателем вентилятора (3). Напряжение на выходе двухуровневого стабилизатора напряжения может принимать два значения - основное U и повышенное U, переключение которых происходит по команде микроконтроллера (13). Основное напряжение U подается на электродвигатель вентилятора непосредственно при заряде аккумулятора, а повышенное U - при интенсивном охлаждении перед- и после процесса заряда.
Устройство работает следующим образом.
1
ак.
окр.ср
ак.
окр.ср
ак.
окр.ср
0
0
Аккумулятор или аккумуляторную батарею устанавливают в блок подключения аккумулятора (8), где он (она) с помощью пружины прижимается к датчику температуры ДТ1 (7) и электрические контакты аккумулятора входят в контакт с соответствующими клеммами устройства. Если аккумуляторная батарея имеет электрический разъем, то его подключают к соответствующему разъему устройства. Указатель емкости аккумулятора (15) устанавливают в положение, соответствующее емкости заряжаемого аккумулятора и нажимают кнопку «Пуск». С этого момента процесс заряда аккумулятора осуществляется автоматически. При кратковременном замыкании контактов кнопки «Пуск» напряжение питания от блока питания (1) поступает на блок стабилизаторов напряжения (4) и далее ко всем электронным блокам устройства. Микроконтроллер (13) через блок усилителей (9) подает сигнал на управляющий вход ключа 1 (2), последний переводится в открытое состояние, шунтируя кнопку «Пуск», и остается в открытом состоянии до снятия управляющего сигнала. Затем микроконтроллер (13) через блок усилителей (9) подает соответствующий сигнал на управляющий вход двухуровневого стабилизатора напряжения блока стабилизаторов (4) и переключает его выход на повышенное напряжение U. Вентилятор (3) включается на повышенную мощность и интенсивно охлаждает аккумулятор. Блок измерения температур Т и Т (10) с помощью датчиков температуры ДТ1 (7) и ДТ2 (6) определяет температуры аккумулятора Т и окружающей среды Т и подает аналоговый сигнал, пропорциональный этим температурам, на вход АЦП (14), где он преобразовывается в цифровой код и поступает на вход микроконтроллера (13). Микроконтроллер регистрирует указанные температуры, определяет их разность ΔТ=Т-Т, сравнивает текущее значение ΔТ с заданным значением ΔТ и при достижении условия ΔТ≤ΔТ выдает соответствующие команды для начала процесса заряда и производит следующие операции:
ак.
0
- записывает в память ОЗУ текущее значение Т=Т;
- изменяет сигнал на входе двухуровневого стабилизатора напряжения и тем самым переводит вентилятор (3) на основной режим работы;
- через ЦАП (12) подает на управляющий вход источника тока (11) напряжение, соответствующее программно заданной скорости заряда для указанной емкости аккумулятора, которая задана указателем емкости (15);
- через блок усилителей (9) подает сигнал на вход ключа 2 (5) и переводит его в открытое состояние;
- включает таймер задержки детектирования критерия Кр.1. Время задержки задается программно в интервале 3÷5 минут.
0
n
n-1
n
0
При включении ключа 2 и подаче на управляющий вход источника тока соответствующего напряжения начинается первый этап заряда аккумулятора постоянным током I. В течение первого этапа заряда микроконтроллер считывает значения температуры аккумулятора T с периодом 20÷30 с и удерживает в памяти ОЗУ два последних значения T и T. Эти значения и значение температуры Т необходимы для вычисления критерия Кр.1.
Длительность периода считывания значений выбирается в интервале 20÷30 с при зарядном токе 4÷5 С, при меньших зарядных токах длительность периода выбирается в интервале 30÷60 с.
n
1
По команде таймера микроконтроллер начинает вычисление и детектирование критерия Кр.1. При детектировании критерия Кр.1 устройство переходит на второй этап заряда и микроконтроллер записывает в память ОЗУ текущее значение температуры T=T, относительно которого в течение всего второго этапа заряда вычисляется текущее значение зарядного тока.
На тот случай, если в устройство на заряд установлен аккумулятор, не предназначенный для скоростного заряда по причине повышенного тепловыделения, в устройстве предусмотрен резервный критерий Кр.1.1 перехода на регулируемый зарядный ток. При детектировании резервного критерия Кр.1.1 микроконтроллер переводит процесс заряда на режим второго этапа до детектирования критерия Кр.1. При этом время заряда увеличивается, но аккумулятор заряжается без перегрева. В данном устройстве резервный критерий не требует дополнительного аппаратурного обеспечения и осуществляется программно.
n
n-30
n
На втором этапе заряда микроконтроллер с периодом 1 с регистрирует текущее значение T и удерживает в памяти ОЗУ 30 последних значений T…T, которые необходимы для вычисления критерия прекращения заряда Кр.2. По формуле
упр.
0
n
1
U=I·{1-α·(T-T)}·β,
упр.
где U - управляющее напряжение;
β - коэффициент пропорциональности между током и управляющим напряжением для источника тока,
микроконтроллер вычисляет необходимую величину напряжения управляющего сигнала, который через ЦАП подается на управляющий вход источника тока (11) и таким образом регулируется зарядный ток аккумулятора.
n
n-30
n-30
Параллельно с вычислением управляющего сигнала для регулирования зарядного тока микроконтроллер детектирует критерий прекращения заряда Кр.2. Для этого вычисляется скорость изменения температуры ΔТ/Δt, где ΔТ=T-T, которая сравнивается с заданным пороговым значением и при выполнении условия, когда ΔT/Δt становится меньше порогового значения, детектируется критерий Кр.2. Использование значения T применено с целью уменьшения влияния неравномерности роста температуры и погрешностей измерения на детектирование критерия Кр.2.
При детектировании критерия Кр.2 микроконтроллер прекращает заряд и переводит устройство на режим быстрого охлаждения аккумулятора, для чего
- снимает сигнал с управляющего входа ключа 2, ключ 2 закрывается и размыкает цепь заряда аккумулятора;
- подает соответствующий сигнал на управляющий вход двухуровневого стабилизатора напряжения и тем самым переключает вентилятор (3) на повышенную мощность и увеличивает интенсивность охлаждения аккумулятора;
- прекращает вырабатывать управляющий сигнал для источника тока (11) и тем самым переводит его в закрытое состояние.
ак.
окр.ср
к
к
к
На режиме быстрого охлаждения аккумулятора микроконтроллер определяет разность температур ΔT=Т-Т, сравнивает текущее значение ΔT с заданным значением ΔТ и при достижении условия ΔT≤ΔТ снимает сигнал с управляющего входа ключа 1. Ключ 1 закрывается и обесточивает все устройство кроме блока питания. Значение ΔТ задается в интервале 2÷6 К по выбору заказчика.
Данное устройство позволяет осуществлять заряд аккумуляторов и аккумуляторных батарей в соответствии с описанным выше способом заряда. Диапазон задаваемых зарядных токов устройства составляет от 1C до 5С и выше, время полного заряда аккумуляторов составляет соответственно от 70 минут до 17 минут и менее. Для современных аккумуляторов и аккумуляторных батарей при заряде постоянным током на данном устройстве оптимальной является величина зарядного тока 4С, время полного заряда при этом составляет примерно 20 минут.
Описанное устройство осуществляет заряд аккумуляторов и аккумуляторных батарей постоянным током. Однако способ позволяет осуществлять заряд также и импульсным, и знакопеременным током.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - диаграмма тока химической реакции накопления энергии и температуры нагрева аккумулятора при постоянном зарядном токе 2,3 С.
Фиг.2 - диаграмма, поясняющая метод определения критерия Кр.1.
Фиг.3 - диаграмма, поясняющая метод определения критерия Кр.1.
Фиг.4 - диаграмма параметров зарядного процесса при регулируемом зарядном токе на втором этапе заряда.
Фиг.5 - диаграмма параметров зарядного процесса при постоянном зарядном токе 0,95 С.
Фиг.6 - диаграмма параметров зарядного процесса при регулируемом зарядном токе на втором этапе заряда, поясняющая обоснование критерия Кр.3.
Фиг.7 - диаграмма параметров зарядного процесса при переходе на регулируемый зарядный ток по резервному критерию Кр.1.1.
Фиг.8 - диаграмма роста температуры нагрева аккумулятора при различных условиях отвода тепла.
Фиг.9 - диаграмма параметров переподготовки аккумулятора с интенсивным охлаждением перед и после процесса заряда.
Фиг.10 - диаграмма параметров зарядных процессов при заряде аккумулятора с различной степенью разряженности.
Фиг.11 - температурное поле внутри аккумулятора при установке на корпусе локального теплоизолирующего слоя.
Фиг.12 - схема устройства для измерения внутренней температуры аккумулятора.
Фиг.13 - блок-схема зарядного устройства.
Источники информации
[1] Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. Зарядные устройства аккумуляторов /http://WWW.powerinfo.ru/ 07.10.2009.
[2] Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. Эксплуатация химических источников тока /http://WWW.powerinfo.ru/ 07.10.2009.
[3] Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. Никель-металлогидридные (Ni-МН) аккумуляторы /http://WWW.powerinfo.ru/ 07.10.2009.
[4] Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. Способы контроля заряда аккумуляторов /http://WWW.powerinfo.ru/ 07.10.2009.
[5] Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1989. - Т.35, - №7. - С.759-765.
[6] Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1994. - Т.30, №3. - С.382-387.
[7] Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. Москва: Международная академическая издательская компания "Наука". - 1997. - Т.33, N5. - С.605-606.
е
[8] «Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник» Под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина. Изд. 2. Книга 2. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.