Способ заряда аккумуляторов асимметричным током и система его осуществления

 

Сущность изобретения: способ предусматривает разделенное формирование постоянной составляющей асимметричного тока в цепях выпрямления переменного тока и переменной составляющей - в резонансном индуктивно-емкостном контуре, подкачиваемом на частоте выпрямления тока, при суммировании обеих составляющих этого тока непосредственно в цепи заряда аккумуляторов. Устройство содержит источник электрической энергии переменного тока, выпрямитель и зарядно-разрядные двух обмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, который подключен через одну обмотку дросселя-трансформатора к выводам батареи непосредственно, а другая обмотка этого дросселя трансформатора подключена к той же батарее через источник энергии и выпрямитель, при этом обе обмотки дросселя-трасформатора соединены через зарядно-разрядный конденсатор последовательно-встречно. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам и устройствам для формовки (формировки) при заряде и подзаряде аккумуляторов и аккумуляторных батарей (АБ) при их эксплуатации. Оно может быть использовано в системах электроснабжения как стационарных, так и различных автономных объектов с применением форсированного заряда и разряда аккумуляторов импульсным асимметричным током (АТ).

В настоящее время известны и широко применяются способы (методы) заряда аккумуляторов непрерывным и прерывистым пульсирующим, т.е. импульсным, в том числе асимметричным током. Эти же способы используются и при формировке активных масс электродов при производстве аккумуляторов.

Простейшим способом заряда аккумуляторов при их формировании или при эксплуатации является заряд путем непосредственного их подключения к зарядному источнику (А. Е. Зорохович и др. Устройство для заряда и разряда аккумуляторных батарей. М. Энергия, 1975, 4.3, с. 74), однако такой заряд занимает много времени (порядка 10 ч) и при эксплуатации АБ приводит к увеличению резервного парка батарей (там же, 7.1, с. 186). В связи с этим разработаны и предложены различные способы форсированного, т.е. ускоренного формирования и заряда АБ.

В случае заряда АБ импульсным пульсирующим током униполярными (то есть однополярными) импульсами частоты 50 и более герц время зарядного цикла сокращается минимум на 17% а расход энергии на 20% (там же, с. 191 и ссылка на л. 7 этой монографии). Физически это объясняется уменьшением ЭДС поляризации аккумуляторов при импульсном их заряде (и, соответственно, их внутреннего сопротивления) за счет уменьшения концентрационной поляризации (см. Дж. Вайнел. Аккумуляторные батареи. Изд. 4. М-Л. ГЭИ, 1960, 366 367 с.).

Еще в большей степени ЭДС поляризации АБ можно уменьшить при заряде ее разнополярными импульсами со средним за период значением тока заряда, отличным от нуля. Ток в виде разнополярных импульсов в системах заряда АБ называют рефлексным или часто асимметричным током.

Простейшим способом формирования АТ является наложение постоянной составляющей в виде отдельных импульсов (однополярных) на переменный, например, синусоидальной формы, либо на переменный прямоугольной и любой иной формы [1, рис. 12.6, с. 190] Поэтому в простейшем описанном в литературе способе заряда АБ АТ от источников электрической энергии переменного тока (ИПТ) [1, рис. 12.7а на с. 192 постоянную составляющую формируют с помощью одного, а переменную с помощью другого источника, используя для этого, в частности, две фазы трехфазного ИПТ [2] Следовательно, простейшая система заряда (СЗ) АБ АТ содержит трехфазный ИПТ, одна линия которого подключена к АБ через зарядно-разрядный конденсатор (ЗРК), проводящий переменную составляющую АТ, а другая линия подключена к батарее через вентиль, пропускающий однополярные импульсы выпрямленного тока. Это устройство требует трехфазный ИПТ и характеризуется сравнительно низкими значениями КПД и коэффициента мощности, что, усложняя схему СЭ, ухудшает ее удельные энергетические показатели.

Большей простотой схемы характеризуются СЗ с однофазными ИПТ, постоянную составляющую АТ в которых формируют двухполупериодными управляемыми выпрямителями (т. е. импульсами тока, частотой, вдвое превышающей частоту напряжения ИПТ) и ограничивают величину этого тока индуктивным сопротивлением дросселя [3] В наиболее близком по технической сущности к заявляемому способе заряда аккумуляторов асимметричным током от источника переменного тока с синусоидальной формой напряжения, при котором формируют постоянную составляющую зарядного тока в виде однополярных импульсов тока (на частоте источника или двухкратной ей) за счет выпрямления напряжения упомянутого источника, переменную составляющую тока путем поддержания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока аккумуляторов с одновременным ограничением его величины, при этом в тактах ограничения величины импульсов зарядного тока получают зарядную электромагнитную энергию, которую и используют для создания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока, а асимметричный ток получают суммированием постоянной и переменной составляющих одинаковой частоты непосредственно в цепи заряда аккумуляторов [4] а устройство, реализующее способ, содержит управляемый мостовой выпрямтель-формирователь постоянной составляющей АТ, величина которого ограничивается сопротивлением дросселя, а также индуктивно-емкостной контур (коммутируемый дополнительным тиристором), формирующий переменную составляющую АТ. В этом устройстве ЗРК блокируется дополнительным диодом, предотвращающим перезаряд ЗРК, поэтому ток в цепи данного конденсатора ограничивается (поочередно) сопротивлением двух различных дросселей, индуктивно друг с другом не связанных.

Недостатком этого способа является относительно большая сложность электрических схем СЗ, его реализующих, а также сравнительно большие потери энергии в цепях проведения постоянной (через 2 тиристора) и переменной (через вентили) составляющих АТ и необходимость обеспечения проведения энергии, запасенной в дросселе (при ограничении величины постоянной составляющей АТ) через АБ и ИПТ. Все это ухудшает удельные энергетические показатели СЗ по данному способу.

В наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащей положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи, два входные вывода для соединения с выводами источника электрической энергии переменного тока, выпрямитель переменного тока, например, управляемый мостовой, отрицательная выходная клемма которого соединена с отрицательным выходным выводом, а также зарядно-разрядные двухобмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, одна обкладка которого подключена к положительному выходному выводу непосредственно, а другая через одну обмотку зарядно-разрядного дросселя-трансформатора к отрицательному выходному выводу СЗ [5, 6] Недостатком этой СЗ является необходимость использования двухили трехфазного ИПТ и весьма низкие удельные энергетические показатели устройства, обусловленные большими потерями энергии при омическом +ограничении зарядного тока и однополупериодном подмагничивании источника.

Целью изобретения в способе заряда является улучшение удельных массогабаритных показателей систем заряда (зарядных устройств) путем их схемотехнического упрощения и потерь энергии в них.

Целью изобретения в СЗ является упрощение схемы этой системы и улучшение ее удельных энергетических показателей.

Поставленная цель в способе заряда аккумуляторов асимметричным током от источника переменного тока, при котором формируют постоянную составляющую зарядного тока в виде однополярных импульсов тока на частоте источника или двухкратной ей за счет выпрямления напряжения упомянутого источника, переменную составляющую тока путем поддержания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока аккумуляторов с одновременным ограничением его величины, а асимметричный ток получают суммированием постоянной и переменной составляющих одинаковой частоты непосредственно в цепи заряда аккумуляторов, достигается тем, что для поддержания указанных вынужденных колебаний используют часть зарядной электромагнитной энергии, полученной в тактах ограничения величины зарядного тока.

Цель, поставленная в системе заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащей положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи, два входных вывода для соединения с выводами источника электрической энергии переменного тока, выпрямитель переменного тока, например управляемый мостовой, отрицательная выходная клемма которого соединена с отрицательным выходным выводом, а также зарядно-разрядные двухобмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, одна обкладка которого подключена к положительному выходному выводу непосредственно, а другая через одну обмотку зарядно-разрядного дросселя-трансформатора к отрицательному выходному выводу, другая обмотка зарядно-разрядного дросселя-трансформатора включена между положительным выходным выводом системы и положительной выходной клеммой выпрямителя, при этом упомянутые обмотки соединены через зарядно-разрядный конденсатор последовательно-встречно.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема СЗ АБ АТ, реализующей заявленный способ заряда аккумуляторов асимметричным током от однофазного источника электрической энергии переменного тока с гармонической - синусоидальной формой его выходного напряжения.

Она содержит положительную 1 и отрицательную 2 выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи 3, два входные вывода 4 и 5, источник переменного тока 6, двухполупериодный мостовой выпрямитель 7, например, управляемый, клеммы входной диагонали которого образуют входные клеммы устройства, отрицательная выходная клемма 8 соединена с отрицательной выходной клеммой устройства 2, а положительная клемма 9 с одним выводом обмотки 10 токоограничивающего зарядного линейного дросселя-трансформатора, которую назовем зарядной, при этом положительная выходная клемма устройства соединена с одной обкладкой зарядно-разрядного конденсатора 11, другая обкладка которого соединена с выводом "разрядной" обмотки 12 линейного дросселя-трансформатора, свободный вывод обмотки этого зарядного линейного дросселя подключен к положительной выходной клемме устройства, а свободный вывод разрядной обмотки дросселя-трансформатора (ДТ) к его отрицательному выходному выводу, при этом обе обмотки расположены на одном магнитопроводе и объединены через зарядно-разрядный конденсатор (ЗРК) последовательно-встречно друг с другом.

Обмотка 10, названная выше зарядной, образует цепь передачи энергии ИПТ 6 в АБ 3. По этой обмотке также часть энергии передается в обмотку 12, названную, для краткости, разрядной, т.к. она образует цепь разряда-заряда батарей, при которой энергия подразряда АБ 3 на ЗРК 11 возвращается в эту же батарею.

Так как фарадеевская емкость аккумуляторов весьма велика (близка к Фараде), в цепи на соединенных последовательно ЗРК 11 и АБ 3 емкостью последней можно пренебречь, а поэтому условимся считать, что ЗРК 11 и разрядная обмотка 12 ДТ образуют последовательный индуктивно-емкостной контур, который настраивают на частоту источника 6 или на двухкратную ей. Очевидно, что частота этого контура (равная частоте импульсов выпрямленного тока) практически не зависит от фарадеевской емкости АБ 3.

В предложенной системе формирование асимметричного переменного тока осуществляется путем наложения переменной составляющей тока на униполярные импульсы двухполупериодного выпрямителя.

При рассмотрении принципа работы системы целесообразно рассмотреть отдельно цепи прохождения постоянной и переменной составляющих тока. При этом следует учесть два условия: 1. Начальное зарядное напряжение аккумуляторной батареи U_знач составляет примерно 60 70% от конечного зарядного напряжения АБ.

2. При заряде АБ через обмотку 10 токоограничивающего линейного дросселя-трансформатора зарядный ток имеет следующий характер: а) непрерывный при зарядном напряжении U_з<0,637 E_m, где E_m амплитудное значение напряжения источника; б) импульсный при U_з> 0,537 E_m.

Учитывая первое условие, можно считать, что в реальных зарядных системах при заряде через ДТ ток заряда практически всегда имеет импульсный характер.

Рассмотрим более подробно формирование постоянной составляющей зарядного тока. В полупериоде изменения напряжения источника 6, когда мгновенное значение напряжения на выходных клеммах 9 и 8 двухполупериодного мостового выпрямителя 7 станет больше напряжения заряжаемой батареи 3, происходит заряд АБ по цепи 9-10-1-3-2-8. Ограничение зарядного тока осуществляется с помощью токоограничивающего ДТ 10. При этом ток заряда увеличивается от нуля до своего максимального значения, что по времени соответствует моменту достижения мгновенным напряжением источника значения E_m. По этой причине, за счет энергии, запасенной в магнитном поле дросселя (пропорциональной индуктивности дросселя и квадрату мгновенного значения тока в дросселе), при уменьшении мгновенного значения напряжения источника и скачкообразного изменения ЭЛС самоиндукции ДТ, последний, переходя из режима накопителя энергии в режим источника, обеспечивает продолжение заряда батарей, во время которого ток заряда проходит через ДТ 10, батарею 3 и источник 6, а также по цепи 10-1-3-2-8 и соединенные последовательно диоды выпрямителя, т.е. помимо источника 6.

Формирование переменной составляющей асимметричного переменного тока происходит по цепи 12-11-1-3-2-8-12. При этом разрядная обмотка 12 ДТ расположена на одном магнитопроводе с его обмоткой 10 и работает в режиме источника переменного тока. ЭДС взаимоиндукции обмотки 12 изменяется с частотой, в два раза большей, чем ЭДС самоиндукции обмотки 10.

Формирование разрядного импульса происходит следующим образом. В промежутке между униполярными зарядными импульсами зарядный ток равен нулю и соответственно ЭДС взаимоиндукции разрядной обмотки 12 ДТ равна нулю.

Положительный потенциал клеммы 1 и отрицательный клеммы 2 (создаваемый батареей АБ 3) вызывают протекание тока в последовательном индуктивном емкостном контуре (ИЕК) 11-12, в результате чего формируется (синусоидальный по форме тока) импульс заряда ЗРК 11. Выше отмечено, что при однополупериодном выпрямлении тока частота ИЕК равна частоте тока источника, а при двухполупериодном выпрямлении вдвое превышает частоту тока (напряжения) источника 6. Пренебрегая потерями энергии в этом контуре, можно было бы считать, что в нем установится переменный ток, изменяющийся по гармоническому (синусоидальному) закону. Потери в этом контуре должны приводить к затуханию этих колебаний, однако трансформаторная связь обмоток 10 и 12 ДТ приводит к тому, что часть энергии, запасенной в ДТ при ограничении импульса зарядного тока в зарядной обмотке 10 трансформаторным путем передается в разрядную обмотку 12 и колебательный процесс в ИЕК поддерживается непрерывно. Такая подкачка осуществляется в конце каждого зарядного импульса тока. По этой причине при увеличении зарядного тока от нуля до своего максимального значения в разрядной обмотке ДТ возникает ЭДС взаимоиндукции такой полярности, при которой направление разрядного тока, протекающего через батарею по цепи 12-8-2-3-1-11-12, противоположно зарядному току, протекающему через нее. Причем, до некоторого момента времени, когда мгновенное значение зарядного тока мало, мгновенное значение разрядного тока больше его по абсолютной величине. Так формируется разрядный импульс тока, протекающий через батарею. Величина его зависит от соотношения емкости конденсатора 11 и индуктивности разрядной обмотки 12 ДТ.

Таким образом, через батарею протекают постоянная и переменная составляющие тока. Постоянная составляющая тока источника запасется аккумуляторами, а переменная составляющая, циркулирующая в конденсаторе 11 и разрядной обмотке 12 дросселя-трансформатора и замыкаемая через батарею, активизируя электрохимические процессы в аккумуляторах, способствует уменьшению их внутреннего сопротивления.

Экспериментальные исследования физической модели данной СЗ подтвердили ее хорошую работоспособность и реальность достижения цели изобретения по п. 2 и 1 формулы. Новизна этого предложения, не следующего явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы, как отмечено выше, в аккумуляторной промышленности при формовке АБ и во всех областях техники, использующих батареи в качестве химических источников тока.

Следовательно, формирование постоянной составляющей АТ с помощью выпрямителя и ее ограничение дросселем-трансформатором, а переменной составляющей АТ с помощью ИЕК, подкачиваемого энергией за счет части энергии, полученной в таких ограничениях величины импульсов зарядного тока, упрощает зарядные устройства, реализующие способ, а также улучшает их удельные энергетические показатели.

Литература.

1. А.Г. Николаев. Г.Н. Петров, Б.М. Сухарев и В.А. Хохлов. Системы электроснабжения, электрические сети и освещение. Уч. пособие. Л. ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1978. 332 с. ил.

2. Авт. свид. СССР N 411552, М. кл. H 02 J 7/02.

3. Авт. свид. СССР N 431588, М. кл. H 02 J 7/02.

4. Авт. свид. СССР N 463175, М. кл. H 02 J 7/10.

5. Электричество, 1976, N11, с. 43, рис. 5.

6. Авт. свид. СССР N 577609, М. кл. H 02 J 7/10, 1977.

Формула изобретения

1. Способ заряда аккумуляторов асимметричным током от источника переменного тока с синусоидальной формой напряжения, при котором формируют постоянную составляющую зарядного тока в виде однополярных импульсов на частоте источника или двухкратной ей за счет выпрямления напряжения упомянутого источника, переменную составляющую тока путем поддержания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока аккумуляторов с одновременным ограничением его величины, при этом в тактах ограничения величины импульсов зарядного тока получают зарядную электромагнитную энергию, которую и используют для создания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока, а асимметричный ток получают суммированием постоянной и переменной составляющих одинаковой частоты непосредственно в цепи заряда аккумуляторов, отличающийся тем, что трансформируют часть упомянутой зарядной электромагнитной энергии и используют полученную энергию для поддержания вынужденных колебаний.

2. Система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи, два входных вывода для соединения с выводами источника электрической энергии переменного тока, выпрямитель переменного тока, например, управляемый мостовой, отрицательная выходная клемма которого соединена с отрицательным выходным выводом, а также зарядно-разрядные двухобмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, одна обкладка которого подключена к положительному выходному выводу непосредственно, а другая через одну обмотку зарядно-разрядного дросселя-трансформатора к отрицательному выходному выводу, отличающаяся тем, что другая обмотка зарядно-разрядного дросселя-трансформатора включена между положительным выходным выводом системы и положительной выходной клеммой выпрямителя, при этом упомянутые обмотки соединены через зарядно-разрядный конденсатор последовательно-встречно.

РИСУНКИ

Рисунок 1