СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
RECOVERY OF SEALED NICKEL-CADMIUM STORAGE BATTERY CAPACITY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для восстановления емкости герметичных аккумуляторных батарей, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур окружающей среды.
Выпускаемые промышленностью аккумуляторные батареи (АБ), не требующие обслуживания, например, герметичные никель-кадмиевые, могут длительное время эксплуатироваться лишь в условиях положительных температур окружающей среды, при которых получают оптимальные зарядные и разрядные характеристики аккумуляторных батарей, и полностью восстанавливать разрядную емкость [1, 2].
Однако известные способы заряда становятся малоэффективными при заряде и восстановлении емкости аккумуляторных батарей, эксплуатируемых в условиях отрицательной температуры окружающей среды.
Необходимость заряда и восстановления емкости аккумуляторных батарей при отрицательной температуре вызвана тем, что они могут эксплуатироваться в полевых условиях вдали от населенных пунктов, в труднодоступных местах (районах), где отсутствуют стационарные источники электроэнергии и соответственно возможность заряда аккумуляторных батарей при положительных температурах в отапливаемых помещениях.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов, входящих в батарею, при котором осуществляют предварительный разряд батареи аккумуляторов до (0÷0,5) В с последующим зарядом ее до максимального значения, предусмотренного техническими характеристиками на батарею, перед разрядом и зарядом аккумуляторной батареи осуществляют заряд и измерение напряжения батареи, сравнение его с заданным значением, причем разряд и заряд батареи осуществляют с помощью переменного тока номинальной величины с частотой 20 кГц, описанный в патенте РФ №2185009, кл. H01M 10/54 [3].
Однако данный способ характеризуется сложностью реализации и большой длительностью восстановления емкости аккумуляторной батареи.
Целью изобретения является сокращение времени восстановления емкости и повышение срока службы никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при эксплуатации их в условиях отрицательных температур окружающей среды.
Поставленная цель достигается тем, что в способе восстановления емкости герметичных аккумуляторных батарей, заключающемся в предварительном разряде аккумуляторной батареи до минимально допустимого значения напряжения (0÷0,5 В) и последующем заряде ее до максимального значения, предусмотренного техническими характеристиками на аккумуляторную батарею, при этом перед разрядом аккумуляторной батареи осуществляют измерение напряжения батареи и сравнение его с заданным значением, дополнительно осуществляют контроль остаточной емкости аккумуляторной батареи с последующим разрядом ее на нагрузочном элементе, а заряд батареи осуществляют только при положительных значениях температуры, для чего аккумуляторную батарею помещают в термоизоляционный корпус, и если температура в корпусе окажется отрицательной или ниже требуемой положительной температуры, то с помощью встроенного внутрь термоизоляционного корпуса нагревательного элемента, на который подают напряжение питания, доводят температуру до требуемого положительного значения, которое контролируют с помощью термозависимого датчика напряжения, установленного внутри корпуса, после достижения требуемого значения температуры питание нагревательного элемента автоматически отключается, после чего осуществляют заряд аккумуляторной батареи путем подачи на ее вход по цепи заряда с выхода преобразователя выпрямленного напряжения определенной величины с амплитудой тока заряда, выбираемой в пределах (0,5÷1,0) от номинального значения емкости, заданной техническими условиями на заряжаемую аккумуляторную батарею, при достижении максимального значения емкости цепь зарядного тока от аккумуляторной батареи автоматически отключается, на этом процесс восстановления емкости аккумуляторной батареи завершается.
Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается введением новых операций по контролю за остаточной емкостью аккумуляторной батареи с последующим разрядом ее на нагрузочном элементе, а процесс заряда осуществляют только при положительных значениях температуры внутри термоизоляционного корпуса, в который помещают аккумуляторную батарею на время заряда, а также отличается простотой предлагаемого устройства для реализации заявляемого способа восстановления емкости АБ.
Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого способа с другими способами показывает, что заявляемый способ вместе с устройством для его реализации способствует достижению поставленной цели. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «существенные отличия». Оно явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень. Кроме того, оно промышленно применимо, что подтверждается изготовлением устройства для реализации способа и получением положительных результатов по проведению процесса восстановления емкости аккумуляторной батареи в условиях отрицательных температур окружающей среды, подтверждающих возможность получения емкости аккумуляторной батареи на уровне 90-95 процентов и сокращения времени восстановления емкости батареи.
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.
Устройство содержит источник 1 электроэнергии переменного тока, блок 2 заряда, состоящий из преобразователя 3 напряжения переменного тока, датчика 4 тока заряда, датчика 5 напряжения, микроконтроллера 6, коммутационного аппарата 7 и нагрузочного элемента (сопротивления) 8, переключатель 9 цепи заряда аккумуляторной батареи, блок 10 управления и индикации, термоизоляционный корпус 11, внутри которого размещены нагревательный элемент 12, аккумуляторная батарея 13 и термозависимый датчик 14 напряжения.
Источник 1 электроэнергии переменного тока по силовой цепи соединен с преобразователем 3 напряжения переменного тока блока 2 заряда, выход которого соединен со входом датчика 4 тока заряда, выход которого соединен со входом датчика 5 напряжения, информационный выход датчика 4 тока заряда соединен с первым информационным входом микроконтроллера 6, второй информационный вход которого соединен с выходом датчика 5 напряжения, выход датчика 4 тока заряда соединен также со входом переключателя 9 цепи заряда аккумуляторной батареи. Первый и второй выходы переключателя 9 цепи заряда аккумуляторной батареи подключены ко входам соответственно нагревательного элемента 12 и аккумуляторной батареи 13, размещенных в термоизоляционном корпусе 11. Информационный выход микроконтроллера 6 соединен с первым входом блока 10 управления и индикации, второй информационный вход которого соединен с информационным выходом переключателя 9 цепи заряда, третий информационный вход блока 10 управления и индикации соединен с информационным выходом термозависимого датчика 14 напряжения.
Первый и второй управляющие выходы блока 10 управления и индикации подключены к управляющим входам соответственно коммутационного аппарата 7 и переключателя 9 цепи заряда, выход аккумуляторной батареи 13 соединен с четвертым информационным входом блока 10 управления и индикации и со входом коммутационного аппарата 7, выход которого соединен со входом нагрузочного элемента (сопротивления) 8.
Процесс восстановления емкости согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.
Перед началом процесса восстановления аккумуляторную батарею 13 помещают в термоизоляционный корпус 11, в котором смонтированы нагревательный элемент 12 и термозависимый датчик 14 напряжения.
Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Чтобы напряжение на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5 C.
Затем подключают источник 1 электроэнергии переменного тока к блоку 2 заряда.
Измерение напряжения батареи и сравнение его с заданным значением осуществляется в блоке 10 управления и индикации, на вход которого с выхода аккумуляторной батареи 13 подается напряжение, величина которого отображается на индивидуальном индикаторе блока 10 управления.
Контроль температуры внутри термоизоляционного корпуса 11 осуществляется постоянно и данные о температуре автоматически подаются с термозависимого датчика 14 напряжения в блок 10 управления и индикации, в котором на светодиоде отображается текущее значение температуры. При отрицательной температуре или температуре ниже заданного положительного значения (не менее плюс 15°C) с блока 10 управления подается управляющий сигнал на переключатель 9 цепи заряда, под действием которого замыкаются контакты цепи подачи напряжения с выхода преобразователя 3 на нагревательный элемент 12, который поддерживает в термоизоляционном корпусе 11 требуемую температуру. При достижении заданного положительного значения температуры с термозависимого датчика 14 напряжения данные поступают в блок 10 управления, который вырабатывает управляющий сигнал на переключение в блоке 9 цепи зарядного тока с выхода преобразователя 3 через датчик 4 тока заряда на вход аккумуляторной батареи 13, а цепь питания нагревательного элемента 12 отключается. Состояние контактов переключателя 9 цепи заряда постоянно контролируется блоком 10 управления и индикации, на информационный вход которого с информационного выхода переключателя 9 поступает соответствующая сигнализация.
Разряд батареи 13 осуществляется по цепи, включающей выход аккумуляторной батареи 13, нормально разомкнутые контакты коммутационного аппарата 7 и вход нагрузочного элемента 8. Замыкание контактов коммутационного аппарата 7 осуществляется под действием управляющего сигнала, поступающего с выхода блока 10 управления и индикации на управляющий вход коммутационного аппарата 7.
н
н
Контроль и измерение тока заряда и напряжения осуществляется микроконтроллером 6 блока 2 заряда, данные на который поступают с выхода датчика 4 тока заряда и датчика 5 напряжения. При этом величина тока заряда составляет не более (0,5÷1,0) С, где С - номинальная емкость заряжаемой аккумуляторной батареи, выраженная в ампер-часах. Данные о величине тока заряда и напряжения с информационного выхода микроконтроллера 6 передаются на информационный вход блока 10 управления и индикации, в котором они записываются в память блока (оперативное запоминающее устройство) и автоматически сравниваются с данными по номинальной емкости каждого из типов герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, заранее записанными в память блока 10 управления.
Технический эффект от предлагаемого способа восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей заключается в сокращении времени восстановления емкости герметичных аккумуляторных батарей и повышении срока службы батареи при эксплуатации ее в условиях отрицательных температур окружающей среды.
При этом опыт эксплуатации аккумуляторной батареи в условиях отрицательной температуры минус 20°C и проведение зарядно-разрядных циклов в этих условиях показал, что при использовании известных способов восстановления емкости возможно максимально достичь уровня 65-70% от номинальной емкости. В то же время при использовании предлагаемого способа возможно достичь 90-95% номинальной емкости при заряде аккумуляторной батареи в условиях положительных температур, то есть достигается увеличение емкости в 1,35-1,4 раза при одновременном сокращении времени заряда с 6-8 до 1-2 часов.
Кроме того, срок службы аккумуляторной батареи также увеличивается примерно на 5 лет по сравнению со способом восстановления емкости, в котором заряд аккумуляторной батареи осуществляется при отрицательных температурах окружающей среды.
Предлагаемый выше способ восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей проверяли на аккумуляторной батарее 10НКГЦ-1,8-1, предварительно проработавшей в условиях отрицательных температур в течение нескольких суток. При этом циклы разряда и заряда повторялись несколько раз и при этом в каждом цикле были получены положительные результаты.
Источники информации
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003.
2. Химические источники тока. Справочник. Под ред. Н.В. Коровина, A.M. Скундина. - М.: МЭИ, 2003.
3. RU, патент №2185009, кл. H01M 10/54 (прототип).