СПОСОБ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ
METHOD TO CHARGE ELECTROCHEMICAL CAPACITORS WITH DOUBLE ELECTRIC LAYER

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к зарядке электрохимических конденсаторов, предназначенных для накопления электрической энергии. В частности, настоящее изобретение направлено на предоставление эффективного способа зарядки электрохимических конденсаторов, когда энергия зарядки изменяется во времени, и на обеспечение своевременного завершения процесса зарядки после достижения оптимального состояния зарядки.
Устройства накопления энергии с гетерогенным электрохимическим суперконденсатором (HES) все более широко используются для накопления электрической энергии (см., например, патент США №6518734, A. Nourai и др., озаглавленный "Система и способ формирования модулей накопления электрической энергии на основе конденсатора"). Традиционно, накопление электрической энергии перезаряжающимися источниками питания осуществляется с помощью аккумуляторных батарей. Однако некоторые характеристики устройств с HES делают их использование для накопления электрической энергии преимущественным по сравнению с батареями. Например, хотя устройства с HES могут быть хуже батарей по величине удельной по массе и объему запасаемой энергии, они могут превосходить батареи по циклическому ресурсу, диапазону допустимых значений зарядного тока, способности к быстрой зарядке. Таким образом, устройства с HES хорошо подходят, без каких-либо ограничений, в качестве энергоемких источников питания для промышленности, телекоммуникационных систем, коммунальных предприятий, электрических транспортных средств и гибридных транспортных средств; в качестве устройств накопления электрической энергии, произведенной в стационарных или портативных (транспортируемых или полевых) ветровых и гидроэлектрических установках; и как портативных источников энергии, заряжаемых от генераторов с мускульным приводом, и т.д.
Для эффективного использования любого герметичного устройства накопления электрической энергии необходимо обеспечить управление процессом его зарядки. Перечень параметров, контролируемых и управляемых в течение процесса зарядки, в значительной степени зависит от параметров электрохимической системы, конкретной ее конструкции и области использования устройства накопления энергии.
Известно большое количество способов управления процессом зарядки батарей. Например, существуют различные методики зарядки, в которых определяется состояние зарядки (степени заряженности), и управление зарядкой выполняется посредством контроля изменения главных параметров батареи и последующим управляемым изменением режима зарядки. Например, в одном из таких вариантов способа зарядки выполняются измерения тока и напряжения в течение цикла заряд-разряд, и измеренные параметры сравниваются с заданными значениями, которые могут быть определены экспериментально или путем математического моделирования. Управляемое изменение режима зарядки осуществляется затем исходя из упомянутого сравнения. В другом варианте способа зарядки измеряется первая или вторая производная напряжения по времени, контролируют температурные изменения в течение процесса зарядки и осуществляют управляемые изменения тока или напряжения на различных этапах процесса зарядки. Еще в одном варианте способов напряжение или ток зарядки управляются путем изменения параметров импульсов зарядного тока или измерения параметров цуга зондирующих импульсов.
Однако имеются фундаментальные различия между батареями и устройствами накопления энергии с электрохимическим конденсатором, которые препятствуют или затрудняют использование известных схем управления процессом зарядки. Прежде всего, в электрохимических конденсаторах, в отличие от батарей, именно значение напряжения, до которого конденсатор заряжается, определяет значение накопленной электрической энергии. Таким образом, желаемое значение накопленной электрической энергии получается посредством зарядки такого конденсатора до заданного значения напряжения, причем значение напряжения зарядки выбирается из рабочего диапазона напряжения конденсатора. При выборе этого заданного значения напряжения зарядки необходимо принять во внимание текущее температурное состояние конденсатора, которое обычно быстро меняется в процессе зарядки большим током.
Известно, что конденсаторы могут заряжаться различными способами. Например, постоянным током, при постоянном напряжении или при постоянной мощности. Зарядка постоянным током до заданного напряжения является, как правило, наиболее используемым способом зарядки.
Как отмечено выше, значение заданного напряжения зависит от рабочей температуры, значения зарядного тока и задается опытным путем для данной конструкции конкретного конденсатора. Например, в патентной заявке PCT/RU03/00109, WG03/081618, авт. I.Varakin и др., озаглавленной "Способ зарядки и разрядки конденсатора с двойным электрическим слоем", за величину максимального рабочего напряжения принимается напряжение, при котором для данной измеренной температуры электролита ток утечки и энергопотребление конденсатора являются оптимальными.
Когда заданное значение напряжения достигнуто, зарядка конденсатора может продолжаться при постоянном напряжении. Когда состояние зарядки возрастает, значение зарядного тока снижается. Зарядку при постоянном напряжении можно считать полной, например, по истечении заданного времени или когда зарядный ток уменьшается до заданного значения.
Один из способов зарядки на постоянном токе описан в патенте США 5,640,080 ('080 патент), авт. Mikitaka Tamai, озаглавленном как "Зарядка перезаряжаемой аккумуляторной батареи". Описанный там процесс зарядки выполняется с использованием чередующихся периодов зарядки и покоя. В течение каждого интервала зарядки количество электричества ΔQ, которое проходит через батарею, ограничивается значением, которое не вызывает какого-либо ухудшения параметров батареи вследствие перезаряда. Это количество электричества определяется, как часть полной емкости батареи (например, не больше чем 5% номинальной емкости). Зарядка считается завершенной, когда напряжение, измеренное на выводах батареи в течение периода покоя, становится равным или большим заданного значения напряжения.
cha
re
ch
cha
ch
cha
ch
cha
Батареи согласно патенту '080 заряжаются путем попеременных периодов зарядки (имеющих начальную длительность T) и покоя (имеющих постоянную длительность T). Затем измеренное напряжение V сравнивается в течение периодов зарядки с заданным значением напряжения V. Когда измеренное на выводах напряжение V равно или превышает заданное значение напряжения V, батарея считается полностью заряженной. Каждый раз, когда измеренное напряжение V достигает заданного значения V, количество электричества, предоставляемое в каждый последующий период зарядки (который следует за периодом покоя), уменьшается. Процесс зарядки завершается, когда количество электричества, предоставляемое для зарядки, достигает нулевого значения.
ch
cha
cha
Для варьирования процесса зарядки патентом '080 предусматривается, что каждый раз, когда измеренное напряжение V достигает заданного значения V, предписанное количество заряженного электричества может остаться неизменным, в то время как длительность последующего периода покоя увеличивается. Значение V может быть изменено с учетом температуры батареи.
ch
Когда HES заряжается, напряжение на его выводах, U, зависит от параметров HES и условий процесса зарядки:
0
Причем U соответствует стационарному напряжению, которое устанавливается на заряженном конденсаторе после завершения зарядки и процессов деполяризации, IR соответствует броску напряжения, когда зарядный ток включается и отключается, и ΔU объясняется более подробно ниже.
0
0
Значение стационарного напряжения U определяется посредством величины заряда Q и емкостью конденсатора С. Кроме того, известно, что емкость конденсатора в свою очередь является функцией потенциала поляризуемого электрода (φ), степени заряженности и его температуры T (то есть U=Q/С (Q, (φ), Т)).
Бросок напряжения IR отражает падение напряжения на омическом сопротивлении. Он является функцией изменяющейся амплитуды зарядного тока во времени I(t), а внутреннее сопротивление зависит от состояния зарядки, потенциала поляризуемого электрода и температуры конденсатора (то есть R (Q, Ф, Т)).
Величина ΔU дает существенный вклад в изменение напряжения на выводах HES в течение процесса зарядки. Одна из составляющих значения ΔU определяется процессами поляризации HES. Она зависит от значений Q, ф, Т, t, а также от используемого типа электрохимической системы и конкретных параметров конструктивных компонентов HES, таких как, например, величина проводимости, пространственная структура и толщина поляризуемых и неполяризуемых электродов, величина проводимости электролита и толщина сепаратора.
Вторая существенная составляющая величины ΔU определяется процессами, имеющими место в течение газового цикла HES, который реализуется в системах, использующих в качестве электролита водные растворы неорганической кислоты. Эта вторая составляющая связана с процессами выделения кислорода на положительном электроде и водорода на отрицательном электроде, когда значения потенциалов электродов превышают равновесные значения. Когда HES приближается к состоянию максимальной зарядки, количество электричества, вносящего свой вклад в зарядку, уменьшается, и количество электричества, вносящего свой вклад в разложение электролита, увеличивается. Напряжение на выводах HES тогда достигает максимального значения.
Эти процессы также приводят к восстановлению выделяемого кислорода на отрицательном электроде и образованию воды, которая вызывает деполяризацию потенциала отрицательного электрода и, соответственно, снижение напряжения на HES. Экзотермические реакции, связанные с восстановлением кислорода, сопровождаются повышением температуры HES. В результате избыточный потенциал выделения кислорода и водорода на положительном и отрицательном электродах соответственно понижается, и напряжение на выводах HES начинает уменьшаться. Когда зарядный ток продолжает протекать, также увеличивается количество кислорода, выделяемого на положительном электроде, и увеличивается газовыделение внутри корпуса HES.
Следовательно, в процессе зарядки устройств с HES максимальное значение напряжения обычно представляет собой изменяющийся параметр. Максимальное напряжение зависит от конкретных электрохимических и конструктивных характеристик HES, а также от состояния его зарядки, текущего температурного состояния и скорости зарядки. Значение количества электричества зарядки, при котором достигается максимальное напряжение, соответствует оптимальному состоянию зарядки HES и уровню его кулоновских и энергетических потерь.
Из предшествующего описания специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что деполяризация и электрохимические процессы, имеющие место в течение газового цикла HES, вызывают уменьшение его кулоновской емкости, уменьшение энергетической эффективности цикла заряд-разряд и возрастание его внутреннего сопротивления. Кроме того, когда осуществляется неконтролируемая зарядка, возможно снижение срока службы HES.
На практике также необходимо обеспечить такой алгоритм зарядки, который позволял бы завершить эффективную зарядку HES независимо от его начального состояния зарядки и теплового состояния в случае, когда значение зарядовой мощности изменяется в широких пределах. Например, значительное изменение теплового состояния HES может произойти, когда скорость зарядки HES высока. Поскольку HES хорошо подходит для зарядки током различных значений, длительность процесса зарядки может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов. Способность управлять изменениями скорости зарядки позволяет выбрать оптимальную мощность и ценовые параметры зарядного устройства, Жесткие требования к алгоритму процесса зарядки установлены для «плавающей (буферной) зарядки» (то есть зарядки при постоянном напряжении). Например, для компенсации емкостных и энергетических потерь, которые могут возникать, когда устройство накопления электрической энергии используется как резервный источник питания, или они могут возникать при длительном хранении накопленной электрической энергии в таком устройстве в состоянии его максимальной заряженности, необходимо выполнить дополнительную зарядку. Когда устройство накопления электрической энергии представляет собой аккумуляторную батарею, эта дополнительная зарядка выполняется различными способами. Например, дополнительная зарядка может быть выполнена при постоянном напряжении током малого значения (который близок к значению тока утечки) или посредством периодического включения плавающей зарядки. Эти способы требуют точной установки значения плавающего напряжения, ограничения значения максимального зарядного тока и поддержания стабильных температурных условий. Когда стационарный тепловой режим нарушен, имеется высокий риск "теплового разгона", в течение которого могут быть ускорены процессы газового цикла, может повыситься температура и зарядный ток может критически быстро самопроизвольно увеличиться.
В настоящее время моделирование кинетики процессов зарядки и разрядки в соответствии с некоторыми из вышеупомянутых параметров позволяет (с высокой степенью вероятности) предсказать энергетические характеристики конденсаторов, имеющих различные конструкции (см., например, D.Dunn, J.Newman, "Предсказание удельных энергий и удельных мощностей конденсаторов с двойным слоем с использованием упрощенной модели", J.Electrochem. Soc, 147, 820 (2000); S.Kazaryan, S.Razumov, S.Litvinenko, G.Kharisov, and B.Kogan, "Mathematical model of heterogeneous electrochemical capacitors and calculation of their parameters. J.Electrochem. Soc., 153, (9), A1655-A1671(2006)). Вместе с тем, практическая задача управления процессом зарядки устройств HES остается нерешенной.
Сущность общей концепции изобретения
Настоящее изобретение направлено на получение управляемой и оптимальной зарядки электрохимических конденсаторов. Процесс зарядки в соответствии с настоящим изобретением должен обеспечить, например: оптимальное или предписанное значение накопленной энергии; своевременное прекращение процесса зарядки, чтобы исключить любую перезарядку; полную зарядку, независимо от начального состояния зарядки; оптимальную зарядку во всем диапазоне рабочих температур конденсатора; предотвращение чрезмерного перегрева и возможного газовыделения через предохранительный клапан; и компенсацию потерь энергии во время работы конденсатора в качестве резервного источника питания или вследствие саморазряда, поддержание конденсаторного устройства в состоянии максимальной зарядки в течение длительного периода времени.
Способы зарядки в соответствии с настоящим изобретением основаны на определенных особенностях конструкции и принципах работы устройств HES (см., например, патент США 6,222,723, авт. R.S.Razumov и др., озаглавленный "Асимметричный электрохимический конденсатор и способ его изготовления"). В таком HES используются два типа электродов: поляризуемый электрод и неполяризуемый электрод. В качестве неполяризуемых электродов предпочтительно использовать положительные электроды батарейного типа, электрохимические свойства которых определяются фарадеевскими процессами. Поляризуемый электрод (отрицательный электрод) использует процесс накопления заряда в двойном электрическом слое. Обычно активным материалом таких поляризуемых (отрицательных) электродов являются различные композиты на основе активированных углеродистых материалов.
Для обеспечения эффективной работы таких устройств HES значение электрической (кулоновской) емкости неполяризуемого электрода предпочтительно выбирается в несколько раз больше значения электрической емкости поляризуемого электрода. При этом максимальная энергия разрядки HES в его окне рабочих напряжений соответствует полной разрядке поляризуемого электрода и определяется его накопленной энергией. Поскольку емкость неполяризуемого электрода намного выше, в ходе циклической работы HES неполяризуемый электрод в каждом разрядном цикле разряжается в меньшей степени, чем поляризуемый электрод. То есть, когда HES полностью разряжается, его неполяризуемый электрод разряжается в меньшей степени, чем такой же положительный электрод аккумуляторной батареи после ее полной разрядки. Следовательно, срок службы HES по сравнению с аккумуляторной батареей должен быть значительно больше, потому что, хотя емкость и энергетические параметры устройства HES определяются параметрами поляризуемого электрода, срок его службы зависит, прежде всего, от параметров неполяризуемого электрода.
В одном из примеров способа зарядки по настоящему изобретению зарядка HES осуществляется при постоянном токе, и нет необходимости в предварительном задании определенного значения зарядного напряжения. В соответствии с этим вариантом реализации управление процессом зарядки может быть достигнуто следующим образом: (1) устанавливается значение положительного приращения зарядного напряжения, и, когда это значение достигается, процесс прерывается; (2) после прохождения определенной части количества электричества определяется приращение напряжения; и (3) когда приращение напряжения снижается до определенного значения, процесс зарядки прекращается.
Заданное положительное значение приращения напряжения определяет состояние зарядки HES относительно его оптимального уровня зарядки. Оптимальное состояние зарядки при имеющейся скорости зарядки и температурном состоянии HES соответствует нулевому приращению напряжения. Если зарядка продолжается до достижения отрицательного приращения напряжения, то происходит быстрый рост температуры, падение кулоновской емкости и энергетической эффективности цикла заряд-разряд и имеется риск увеличения газового давления внутри корпуса конденсатора выше критического значения.
В этом варианте реализации заданное значение количества электричества, после прохождения которого измеряется напряжение зарядки и определяется приращение напряжения, устанавливает временную дискретность измерений. Заданное значение количества электричества обычно зависит от индивидуальных характеристик HES и его конструкции, а также от параметров измерения и используемой системы управления зарядкой.
В этом варианте реализации своевременное прерывание процесса зарядки приводит к желаемому уровню накопленной электрической энергии в HES. По существу, нет необходимости в точном определении максимального значения напряжения в конце процесса зарядки или в непрерывном измерении температуры каждой ячейки HES.
В другом примере реализации настоящего изобретения, зарядка HES осуществляется в условиях нестабильности постоянного зарядного тока. В реальных условиях такая нестабильность может быть обусловлена начальными параметрами источника питания, может быть вызвана магнитными наводками на источник постоянного тока или значительными вариациями окружающей температуры или может возникать от случайных изменений мощности зарядки. В таком случае напряжение на выводах HES в течение процесса зарядки может достигать некоторых локально максимальных значений, которые не соответствуют оптимальному состоянию зарядки. Приращение напряжения может также изменяться в широких пределах, изменяя свой знак вблизи этих локальных максимумов.
Выполняя зарядку с использованием повторяющихся периодов зарядки и покоя, этот вариант реализации настоящего изобретения выдерживает такие эффекты, как неконтролируемые импульсы зарядного тока, повторяющееся изменение амплитуды постоянного зарядного тока и случайные изменения мощности зарядки. В соответствии с этим вариантом реализации, когда цепь разрывается вслед за прерыванием зарядного тока, напряжение на выводах HES падает постепенно из-за деполяризации электродов и саморазрядки конденсаторов. На начальной стадии падение напряжения определяется деполяризацией электродов. Затем процесс саморазрядки становится главной причиной снижения напряжения. Таким образом, процессы деполяризации и саморазрядка сопровождаются уменьшением напряжения HES и затратами энергии. Зарядка HES в соответствии с этим вариантом реализации выполняется до тех пор, пока приращение напряжения, которое измеряется в конце каждого периода покоя, не достигнет заданного значения.
rl
r
r
Повторяющиеся зарядки последовательно выполняются при прохождении определенной части количества электричества Δq. Затем зарядный ток прерывается на период покоя. Длительность каждого периода покоя t должна быть достаточной, чтобы измерить напряжение. Ее устанавливают одинаковой для всех прерываний заряда и подбирают конкретно в зависимости от конструкции HES, исходя из временных характеристик процессов деполяризации электродов HES. Значение напряжения U, измеренное в конце каждого периода покоя, сравнивается со значениями напряжения, измеренными в предшествующий период покоя, и определяется приращение напряжения ΔU. Зарядка HES прекращается, как только приращение напряжения уменьшается до заданного значения.
r1
r1
r1
Методики зарядки в соответствии с этим вариантом реализации настоящего изобретения предусматривают использование мощности зарядки, которая случайно изменяется во времени. Это позволяет использовать недорогие источники питания, в которых отсутствуют специальные технические средства, используемые для стабилизации зарядного тока. Методика зарядки в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения направлена на компенсацию энергетических потерь и увеличение накопленной электрической энергии в HES. В соответствии с этой методикой зарядка периодически прерывается, чтобы получить периоды зарядки и покоя. Периоды зарядки длятся столько, сколько требуется для прохождения заданной части количества электричества Δq. Длительность всех периодов покоя t зависит от конкретной конструкции HES и определяется временными характеристиками процессов деполяризации электрода. Значение напряжения U, измеренное в конце периодов покоя сравнивается со значениями напряжения, измеренными в предшествующий период покоя, и затем определяется приращение напряжения ΔU.
r,set1
ch
max
ch
max
r2
r2
r,set2
Как только приращение напряжения уменьшается до заданного значения ΔU, зарядка выполняется с ограничением верхнего зарядного напряжения U, которое достигается в конце последнего периода зарядки. Как только напряжение в конце периода зарядки достигает U, производятся кратковременные отключения. Измеряется напряжение U в течение периодов покоя и сравнивается со значениями напряжения периода покоя, измеренными в предшествующий период покоя. Затем определяется приращение напряжения ΔU. Зарядка считается завершенной, когда приращение напряжения уменьшается до заданного значения ΔU или когда длительность периодов зарядки уменьшается в заданное количество раз.
В соответствии с методикой(-ами) зарядки этого варианта реализации настоящего изобретения нет необходимости в задании верхнего предела напряжении зарядки и нет необходимости управлять температурой HES. Кроме того, компенсируются потери, связанные с деполяризацией электродов, и оптимальная зарядка HES завершается автоматически.
Методика зарядки этого варианта реализации настоящего изобретения может также быть использована для периодической компенсации потерь энергии, вызванных саморазрядкой HES при долговременном накоплении заряда. С этой целью, после полной зарядки HES, продолжается контроль напряжения на выводах. Как только измеренное напряжение достигает заданного значения, может быть выполнена повторная зарядка HES.
Таким образом, из предшествующего описания можно понять, что имеется несколько вариаций зарядки HES в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с первым вариантом реализации HES может быть присоединен к источнику постоянного тока для зарядки, в течение которой осуществляется временное управление прохождением через HES частей заданного электричества, измеряются напряжения, измеренные напряжения сравниваются с их заданными (заранее заданными) значениями, и зарядка завершается. В этой вариации, части количества электричества определяются исходя из значений емкости HES и пороговой чувствительности регистрирующей системы. После прохождения заданной части электричества измеряется напряжение на выводах устройства накопления энергии и определяется приращение напряжения. Процесс зарядки считается завершенным, когда приращение напряжения достигает (снижается) до заданного значения. Такой процесс зарядки может быть использован независимо от начальных значений состояния зарядки и рабочей температуры HES.
В другом варианте схемы зарядки настоящего изобретения HES может быть заряжен с использованием источника постоянного тока, как описано выше. В этом варианте реализации, однако, зарядка (!) периодически прекращается, чтобы получить период покоя после прохождения заданной части электричества. Все периоды покоя имеют постоянную длительность. Напряжение в конце каждого периода зарядки и каждого периода покоя измеряется, и напряжение, измеренное в конце данного периода покоя, сравнивается с напряжением, измеренным в конце предшествующего периода покоя, чтобы тем самым определить приращение напряжения. Процесс зарядки считается завершенным, когда приращение напряжения в течение периодов покоя достигает заданного значения. Этот способ зарядки может быть использован независимо от начальных значений состояния зарядки и рабочей температуры HES. Длительность периодов покоя может быть установлена равной времени, в течение которого доля быстрых процессов деполяризации в снижении напряжения уменьшается в несколько заданных раз, или длительность периодов покоя может быть установлена равной времени, требуемого для снижения напряжения в течение периодов покоя в несколько заданных раз. Конечно, также могут быть установлены другие продолжительности периода покоя.
Еще в одной схеме зарядки настоящего изобретения, зарядка HES может быть достигнута с использованием источника тока, который периодически выключается или отсоединяется от HES, как описано выше, чтобы обеспечить периоды покоя, но значение тока которого может также изменяться во времени случайным образом. Значения тока могут быть изменяемыми в некоторых пределах, допустимых для зарядки HES, и в этом случае процесс зарядки считается завершенным, когда приращение напряжения в периоды покоя достигает некоторого заданного значения. Посредством этого способа также возможно, чтобы, как только приращение напряжения в периоды покоя достигает заданного значения, зарядка продолжается с ограничением напряжения в период зарядки, и значение напряжения устанавливается равным значению напряжения в конце предшествующего периода зарядки. В таком случае процесс зарядки считается завершенным, когда количество частей электричества в периоды зарядки или длительность периодов зарядки уменьшается в несколько заданных раз или когда приращение напряжения достигает заданного значения.
Особенно относительно этого последнего способа, и когда HES работает в режиме резервного источника питания, рекуррентная повторяющаяся зарядка может быть осуществлена в заданных временных интервалах или после того, как достигается заданное значение максимального напряжения для компенсации энергетических потерь, возникающих от саморазрядки HES.
Краткое описание чертежей
В дополнение к отмеченным выше особенностям другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из следующих описаний чертежей и примерных вариантов реализации, где подобные цифровые обозначения на нескольких видах относятся к идентичным или эквивалентным особенностям и где
фиг.1 изображает график изменения напряжения на выводах и изменения температуры конденсаторного модуля на основе HES в процессе зарядки и разрядки постоянным током в зависимости от а)времени; б)электрической емкости;
фиг.2 - график изменения напряжения в течение зарядки конденсаторного модуля на основе HES различными токами и при различных температурах модуля в зависимости от а)времени зарядки; б)зарядной емкости;
фиг.3 - график изменения приращения напряжения на выводах конденсаторного модуля на основе HES, кулоновской и энергетической эффективности в течение зарядки частями количества электричества в зависимости от нормированного состояния зарядки;
фиг.4 - пример блок-схемы одного варианта реализации зарядного устройства по настоящему изобретению;
фиг.5 - схематическое представление последовательности операций зарядного устройства по фиг.4 в течение зарядки;
фиг.6 - пример блок-схемы другого варианта реализации зарядного устройства по настоящему изобретению;
фиг.7 - схематическое представление последовательности операций зарядного устройства по фиг.6;
фиг.8 - график изменения напряжения на выводах конденсаторного модуля на основе HES после прерывания процесса зарядки;
фиг.9 - график изменения напряжения на выводах конденсаторного модуля на основе HES и тока его зарядки в течение зарядки при изменяющейся мощности;
фиг.10 - последовательность операций для еще одного варианта реализации зарядки;
фиг.11 - график изменения напряжения на выводах конденсаторного модуля на основе HES в течение зарядки при ограничении напряжения в течение периодов зарядки; и
фиг.12 - график изменения напряжения на выводах конденсаторного модуля на основе HES, когда зарядка рекуррентно включается для компенсации в нем энергетических потерь.
Подробное описание примерного варианта(-ов) реализации
Ниже приводится подробное описание некоторых конкретных, но примерных вариантов реализации настоящего изобретения.
Пример 1
2
2
4
Заряжали конденсаторный модуль, состоящий из семи последовательно соединенных HES системы PbO|HSO|C. Отдельный HES при комнатной температуре и зарядке постоянным током 50 А имел в диапазоне напряжений 2,4-0,8 В следующие параметры:
Емкость
180 кФ
Кулоновская емкость
62 А·час
Отдаваемая энергия
110 Вт·час
Импеданс (на частоте 50 Гц)
1,2 мОм
Ток саморазрядки
50 мА
max
На фиг.1 показано изменение напряжения и температуры этого конденсаторного модуля в процессе зарядки и разрядки постоянным током 50 А при комнатной температуре окружающего воздуха. Видно, что зарядное напряжение по мере увеличения степени заряженности достигает максимальное значение U=16,8 В и при продолжении заряда оно уменьшается.
max
opt
Как показано на фиг.2, когда конденсаторный модуль заряжается постоянным током различных значений и при различных температурах окружающего воздуха, напряжение конденсаторного модуля изменяется подобным же образом. Эта особенность поведения напряжения в течение процесса зарядки связана с протеканием "газового цикла" в устройствах HES. Достигаемое максимальное значение U при этих температурных условиях и некоторой постоянной скорости зарядки соответствует максимальной величине зарядной емкости Q.
max
opt
Q
Е
На фиг.3 показан график зависимости приращения напряжения ΔU от зарядной емкости, нормированный на величину оптимальной зарядной емкости модуля Q. Эксперименты показали, что эта зависимость существует для всех допустимых значений зарядного тока и рабочих температур модуля. На фиг.3 также показано изменение кулоновской η и энергетической ηэффективности в различных режимах циклов зарядки и разрядки. С использованием этих зависимостей оказывается возможным заряжать HES до желаемого оптимального значения состояния зарядки, а также установить желаемый уровень его емкостных и энергетических потерь.
На фиг.4 показана схема одного варианта реализации устройства зарядки 2 по настоящему изобретению, которое может использоваться для зарядки HES. Конденсаторный модуль HES 1 соединен с устройством зарядки 2. Видно, что устройство зарядки 2 включает в себя источник питания 3, датчик тока 4, контроллер количества электричества 5, контроллер напряжения 6 и ключ 7.
ch0
set
set
ch1
chl
ch0
chl
ch0
chl
ch0
set
Ch1
ch1
Ch0
set
Зарядка этим устройством 2 может быть выполнена в последовательности, показанной на фиг.5. Из фиг.5 можно видеть, что в момент переключения (S1) устройства зарядки 2 сигнал посылается на контроллер напряжения 6, чтобы измерить начальное напряжение U(S2). Контроллер напряжения 6 измеряет напряжение на выводах устройства накопления энергии и сохраняет его в памяти. После завершения этих операций ключ зарядной схемы 7 переключается, и начинается отсчет количества электричества Q (S3). Если количество электричества не превышает заданной части количества электричества Δq, зарядка продолжается (S4). Когда Δq достигается, контроллер количества электричества 5 подает сигнал на контроллер напряжения 6 и устанавливает значение количества электричества на ноль. Контроллер напряжения 6 измеряет (S5) напряжение U на выводах модуля HES 1 и сохраняет его в памяти. Измеренное значение напряжения U затем сравнивается с измеренным значением напряжения U, сохраняемым в памяти контроллера, и определяет приращение напряжения U-U (S6). Если разность U-U превышает предварительно заданное значение ΔU, процесс зарядки продолжается, и вновь измеренное значение U сохраняется в памяти контроллера напряжения 6. Затем операции, обозначенные здесь как S3-S7, повторяются до тех пор, пока разность U-U не станет ниже заданного значения ΔU, в момент чего контроллер напряжения 6 включает ключ 7 и процесс зарядки прекращается (S8).
set
s
min
S
max
S
В этом конкретном примере, диапазон рекомендованного значения Δq был установлен исходя из результатов тестирования разнообразных электрохимических конденсаторов различного типа. Долговременная работа гетерогенных конденсаторов в циклическом режиме показала, что оптимальный режим работы соответствует значению кулоновской эффективности приблизительно в интервале 0,93-0,98. Это означает, что избыточная зарядка такого конденсатора, которая требуется для стабильной циклической работы, составляет приблизительно 0,02-0,07 относительно номинальной (по технической спецификации) кулоновской емкости Q устройства накопления энергии. Для обеспечения соответствующей точности контроля и для поддержания желаемого уровня кулоновской эффективности минимальные и максимальные части количества электричества выбираются при этом так, чтобы быть, по меньшей мере, не меньше, чем в три раза ниже оптимальной степени избыточной зарядки (то есть Δq составит 0,007 Q и Δq - 0,03 Q).
Класс точности измерительного оборудования, связанного с системой управления процессом зарядки также налагает некоторые требования на процедуру выбора значения Δq. Например, поскольку расчетное приращение напряжения на выводах модуля HES должно превышать абсолютную ошибку измерения напряжения ΔU не меньше, чем в три раза, то:
min
max
Δq≥3CΔU=3кСU/100
max
причем С соответствует емкости модуля HES, и к отображает класс точности измерительного устройства, предполагая, что Uблизко к верхнему пределу диапазона измерений оборудования.
Следовательно, заданная часть количества электричества, после прохождения которой измерения напряжения осуществляются на выводах модуля HES, предпочтительно выбирается такой, чтобы находиться в пределах:
set
В этом примере, значение части количества электричества Δq, исходя из выражения (2), устанавливается как 1000 Кл.
Зарядка выполняется постоянным током, значение которого находится в пределах допустимых значений. Процесс зарядки завершается, когда достигается заданное значение приращения напряжения.
Преимущество этого способа зарядки в этом примере может быть продемонстрировано, например, посредством зарядки модуля HES до предварительно заданного напряжения 16,8 В, но с увеличением зарядного тока до 80 А. В этом случае напряжение на выводах HES не достигает заданного значения. Кроме того, при продолжении зарядки происходит уменьшение напряжения и значительное увеличение температуры, вызванное избыточной зарядкой.
Пример 2
Была выполнена зарядка модуля HES, конструкция которого сформулирована в описании Примера 1. На фиг.6 показана блок-схема зарядного устройства 9, использованного для выполнения упомянутой зарядки. Модуль HES 8 снова присоединяется к устройству зарядки 9. Видно, что зарядное устройство 9 включает в себя источник питания 10, датчик тока 11, контроллер количества электричества 12, контроллер напряжения 13, ключ 14 и таймер паузы 15.
Этот конкретный процесс зарядки был выполнен в последовательности, показанной на фиг.7. Мощность зарядки изменялась случайным образом в течение процесса зарядки. В этом конкретном примере, картина вариаций мощности зарядки соответствует изменению выходной мощности ветрового генератора в течение ветреного дня в Центральном регионе России.
r0
set
se
r
rset
rt
r1
r0
set
set
r1
set
Во время включения зарядное устройство 9 дает сигнал таймеру паузы 15, который в свою очередь дает сигнал контроллеру напряжения 13, чтобы измерить начальное напряжение U (S9). Контроллер напряжения 13 измеряет напряжение на выводах модуля HES и сохраняет его в памяти. После завершения этих операций сигнал посылается от контроллера напряжения 13 на таймер 15, который затем дает сигналы для включения на ключ 14 (S10) и для запуска контроллера количества электричества 12 (S11). Если количество электричества не превышает заданной части количества электричества Δq, зарядка продолжается (S12). Когда заданное значение количества электричества Δqt достигается, контроллер количества электричества 12 вновь устанавливает значение количества электричества на ноль и дает сигнал на таймер 15, который выключает ключ 14 (S13) и запускает отсчет длительности периода покоя t (S14). Если длительность периода покоя не достигает заданного значения, вычисление времени продолжается. Когда длительность периода покоя достигает заданного значения t, таймер 15 дает сигнал контроллеру напряжения 13 (S15). Контроллер напряжения 13 затем измеряет напряжение U на выводах модуля HES (S16), определяет приращение напряжения ΔU=U-U (S17) и сравнивает измеренное значение приращения напряжения ΔU со значением ΔU, которое сохраняется в памяти контроллера. Если значение ΔU приращения напряжения превышает заданное значение ΔU, вновь измеренные значения U сохраняются в памяти контроллера 13, и контроллер 13 посылает на таймер 15 сигнал для продолжения процесса зарядки (S18). Таймер 15 снова включает ключ 14 (S10) и контроллер количества электричества 12 (S11), и обозначенные выше как S12-S17 этапы повторяются. Если значение приращения напряжения ΔU ниже, чем ΔU, контроллер 13 напряжения включает таймер 15 и процесс зарядки прекращается (S19).
rset
В этом конкретном примерном варианте реализации длительность периодов покоя t была выбрана исходя из измерений скорости деполяризации электродов. На фиг.8 показано изменение напряжения на отдельном конденсаторе, который был предварительно заряжен постоянным током до напряжения 2,4 В, после чего зарядный ток был выключен. Экспериментальная кривая, показывающая изменение напряжения на выводах конденсатора, аппроксимируется следующей экспоненциальной функцией второго порядка:
r1
r2
0
r1
r2
rl
r2
r
r1
r,set
r2
r,set
где t и t - постоянные процесса деполяризации. Значение U=2,07 В определяет стационарное напряжение, которое устанавливается после завершения процесса деполяризации заряженного конденсатора. Значения t и t изменяются в некотором интервале значений в зависимости от состояния зарядки конденсатора. Измерения показывают, что при различных температурах конденсатора, скорости зарядки и состоянии зарядки значение t не превышает 25 и t - 200 секунд. Время t для измерений напряжения на выводах конденсатора в течение периода покоя было выбрано в интервале t<t<t. В этом конкретном примере, значение t в течение зарядки конденсатора равно 25 секундам. Это означает, что доля быстрых процессов деполяризации в снижении напряжения в течение периода покоя уменьшается в е раз, и после истечения этого времени изменение напряжения на конденсаторе, главным образом, определяется медленной деполяризацией.
Изменение тока и напряжения в ответ на зарядку модуля HES при изменяющейся мощности графически показано на фиг.9. Из фиг.9 видно, что при зарядке модуля HES с изменяющейся мощностью достигаются некоторые локальные максимальные значения напряжения, которые не соответствуют оптимальному состоянию зарядки. Вблизи этих локальных максимальных значений приращение напряжения изменяется и по величине, и по знаку.
set
set
r
r,set
В этом конкретном примере, прерывание зарядки выполнялось после прохождения заданного количества электричества Δq=1000 Кл. Оптимальное состояние зарядки в этих температурных условиях модуля достигается, если заданное значение ΔU=0. Зарядка модуля HES завершалась, когда приращение напряжения ΔU в периодах покоя достигало заранее заданного значения ΔU.
Пример 3
Заряжалось конденсаторное устройство накопления энергии, основанное на трех модулях, соединенных параллельно. Каждый модуль состоял из 100 последовательно соединенных HES системы NiOOH|KOH|С. Отдельный HES при комнатной температуре и зарядке постоянным током имел в диапазоне напряжений 1,7-0,8 В следующие параметры:
Емкость
100 кФ
Кулоновская емкость
25±1 А·час
Отдаваемая энергия
30±1 Вт·час
Внутреннее сопротивление
0,5 мОм
Зарядное устройство, используемое в этом конкретном примере, было устройством зарядки 9, показанным на фиг.6 и описанным выше. Источник питания 10 содержал трансформатор, питаемый от 3-фазной промышленной сети 380 В, с потребляемой мощностью при номинальном зарядном токе, не превышающей 100 кВт; сборку выпрямителя; и импульсно-фазовое устройство управления. Относительная погрешность стабилизации тока составляла ±3%. Максимальное значение постоянного тока составляло 450 А. Максимальное постоянное выходное напряжение составляло 220 В.
set
rsetl
r1
r2
Цифровые индикаторы на панели ввода данных были установлены на пульте управления. Значения предварительно заданных параметров вводились с клавиатуры панели управления. Эти предварительно заданные параметры включали в себя значения зарядного тока, части количества электричества Δq, ΔU и длительность периодов покоя t, t.
Таймер 15 зарядного устройства 9 предоставлял сигнал для управления ключом 14 и контроллером напряжения 13, чтобы поддержать необходимую длительность зарядки и периодов паузы. Ключ 14 обеспечивает прерывание процесса зарядки в ответ на сигналы от контроллеров 12, 13 и таймера 15. Зарядка конденсатора выполнялась в последовательности, показанной на фиг.10. Изменение напряжения на выводах модуля графически показано на фиг.11.
r0
set
set
ch1
r1
rset1
r1
rl
r0
r,set1
r,set1
r1
В момент переключения зарядное устройство 9 предоставляет сигнал на таймер 15, который в свою очередь предоставляет сигнал на контроллер напряжения 13, чтобы измерить начальное напряжение U. Контроллер 13 напряжения затем измеряет напряжение на выводах модуля и сохраняет его в памяти (S20). После завершения этих операций сигнал от контроллера напряжения посылается на таймер 15, который в свою очередь работает для включения ключа (S21) и для запуска контроллера количества электричества 12 (S22). Если количество электричества не превышает заданной части количества электричества Δq, зарядка продолжается (S23). Когда заданное количество электричества Δq достигается, контроллер 12 количества электричества вновь устанавливает значение количества электричества на ноль и дает сигнал на таймер 15, который запускает контроллер напряжения 13. Контроллер 13 измеряет и сохраняет в памяти напряжение U на выводах модуля 8, если в зарядной схеме имеется ток (S24) и, затем выключает ключ 14 (S25) и начинает отсчет длительности периодов покоя t (S26). Если длительность периода покоя не достигает заданного значения, период покоя продолжается (S27). Когда длительность периода покоя достигает заданного значения t таймер 15 сигнализирует контроллеру напряжения 13. Контроллер 13 напряжения измеряет затем напряжение U на выводах модуля 8 (S28), определяет приращение напряжения ΔU=U-U (S29) и сравнивает измеренное значение со значением ΔU, которое сохраняется в памяти контроллера 13. Если значение ΔU превышает заданное значение ΔU, то вновь измеренное значение U сохраняется в памяти контроллера 13, и контроллер дает сигнал на таймер 15 для продолжения процесса зарядки (S30). В случае продолжающегося процесса зарядки таймер снова включает ключ 14 (S21) и запускает контроллер 12 количества электричества (S22), после чего этапы, обозначенные выше как S23-S29, повторяются.
rl
r0
r,set1
rset2
r0
ch1
Если разность U-U (то есть приращение напряжения ΔU) ниже, чем ΔU, таймер 15 сигнализирует контроллеру 13 напряжения, и таймер 15 увеличивает длительность периода покоя (S31) до t (S32-S33). В конце периода покоя контроллер напряжения 13 измеряет и запоминает напряжение U в устройстве накопления энергии 8 (S34). Затем ключ 14 включается (S35), запускается измерение количества электричества (S36), и контроллер 13 напряжения переключается в режим непрерывного измерения напряжения. Когда, в течение процесса зарядки, напряжение на выводах модуля 8 достигает значения U, контроллер 13 напряжения сигнализирует таймеру 15, чтобы выключить ключ 14 (S38), и также сигнализирует контроллеру количества электричества 12(S39).
set
set,
rset2
rset2
r1
r0
Если измеренное количество электричества Q между паузами ниже, чем 0,1 Δq, зарядка останавливается (S45). Когда Q>0,1 Δq, таймер 15 отсчитывает паузу до длительности t (S40-S41). В конце паузы t таймер 15 сигнализирует контроллеру напряжения 13. Контроллер напряжения 13 затем измеряет напряжение U на выводах модуля 8 (S42) и сравнивает измеренное значение со значением U (S43), которое сохраняется в памяти контроллера 13.
rl
r0
set2
r0
r1
Если разность U-U превышает заданное значение ΔU, вновь измеренное значение U=U сохраняется в памяти контроллера 13, и контроллер 13 сигнализирует таймеру 15 (S44), чтобы продолжить процесс зарядки. Таймер 15 включает ключ 14 (S35) и контроллер 12 количества электричества (S36), как описано выше.
Перед проведением зарядки на дисплее микроконтроллера установили следующие данные:
Зарядный ток
360A
Порция количества электричества Δq<sub>set</sub>
в течение периодов зарядки
3600 Кл
Значение приращения напряжения ΔU<sub>rsetl</sub>
+200 мВ
Длительность периодов покоя при зарядке
до достижения установленного
приращения напряжения, t<sub>rset1</sub>
1 с
Длительность периодов покоя при зарядке
с ограничением напряжения в периодах
зарядки, t<sub>rset2</sub>
5 с
Критерий завершения зарядки:
10-кратное снижение
частей количества
электричества в
периодах зарядки
Заряжали конденсаторный модуль, который был в различных начальных состояниях зарядки. Длительность процесса зарядки (в соответствии с вышеупомянутым алгоритмом), требуемая для полной зарядки модуля, составляла 924 секунды. Значение энергии зарядки составляло 13,1 кВт·ч. В течение зарядки модуля током 90 А значение энергии разрядки составляло приблизительно 9,3 кВт·ч.
Длительность процесса зарядки частично разряженного модуля составляла 186 секунд, и значение энергии зарядки было приблизительно 2,3 кВт·ч. Когда модуль был разряжен постоянным током 90 А, значение энергии разрядки было приблизительно 9,6 кВт·ч. Разогрев конденсаторов при окружающей температуре 18°С не превышал 10°С.
Таким образом, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что предшествующий процесс зарядки допускает автоматическое завершение процесса зарядки без предварительной установки конечного напряжения зарядки, при этом зарядка была выполнена при различных начальных уровнях состояния зарядки.
Пример 4
Конденсаторное устройство накопления энергии работало как резервный источник питания. Устройство накопления энергии содержало конденсаторный модуль, имеющий десять последовательно соединенных HES. Конструкция и параметры отдельного конденсатора модуля описаны выше в Примере 3. С течением времени наблюдалось постепенное снижение напряжения на выводах модуля. Для компенсации этих энергетических потерь рекуррентно выполнялась дополнительная зарядка модуля, которая начиналась, когда достигалось предварительно заданное значение допустимого минимального напряжения.
Блок-схема устройства зарядки 9, использованного для выполнения упомянутой перезарядки, показано на фиг.6. Контроллер напряжения 13 устройства 9 зарядки выполнял непрерывные измерения напряжения модуля. Когда напряжение было снижено до заданного значения, контроллер напряжения давал сигнал таймеру 15 для включения зарядного устройства 9. Затем зарядка выполнялась в последовательности, показанной на фиг.7.
Перед включением зарядки на дисплее микроконтроллера установили следующие данные:
Минимальное напряжение U<sub>min</sub>, после достижения
которого выполнялась дополнительная
автоматическая зарядка модуля
17 В
часть количества электричества Δq<sub>set</sub> в течение
периодов зарядки
1000 Кл
значение приращения напряжения ΔU<sub>r,set</sub>
0 мВ
Длительность периодов покоя при зарядке
до достижения установленного
приращения напряжения, t<sub>rset1</sub>
1 с
r
set
Зарядка модуля была завершена, когда приращение напряжения ΔU в течение периодов покоя достигло предварительно заданного значения ΔU=0. Длительность дополнительной одноразовой зарядки составляла приблизительно 4-7 минут.
На фиг.12 показано изменение напряжения на выводах модуля в течение перезарядки источником питания с варьирующейся мощностью зарядки.
Этот пример иллюстрирует возможность поддержания конденсаторного устройства в заряженном состоянии посредством дополнительных рекуррентных зарядок. Дополнительная зарядка(-и) может быть выполнена независимо от начального состояния зарядки, без управления температурными условиями конденсаторного устройства и с нестабильным источником постоянного тока.
Хотя некоторые варианты реализации настоящего изобретения описаны подробно выше, область притязаний изобретения не следует считать ограниченной таким раскрытием, и возможны модификации без отступления от существа изобретения, представляемого следующими пунктами формулы.