Способ эксплуатации аккумуляторной батареи

 

ОПИСАпиЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

f )в Р, г

Ф (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 260478 (21) 2608788/24-07 (51) М

2 с присоединением заявки М вЂ”. (23) Приоритет

Н 01 М 10/42

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 150780 Бюллетень Йо 26

Дата опубликования описания 15.07.80 (53) УДК 621 355 1 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Д. Г. Белов, С. В. Медведников и И. Т. Перекопский (7! ) Заявитель (54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРНОЙ

BATAP EH

Изобретение относится к электротехнике и, может быть использовано прн эксплуатации аккумуляторных батарей (AB), длительно работающих в 5 циклическом режиме.

В процессе длительной эксплуатации батарей последовательно соединенных химических аккумуляторов в циклическом режиме возникает различие как в уров- 0 нях заряженности аккумуляторов (в долях фактическсй емкости), так и в величин ах фактических емкостей (абсолютная величина количества электрикоторую Mo)KeT иметь Blca+55i 1 5 лятор), обусловленное неидентичностью характеристик аккумуляторов и неодинаковым их изменением во времени, В этом случае дл я исключения возжжности перезаряда и переразряда аккумуляторов заряд AS прекращают по первому зврядившемуся, а разряд по первому разрядившемуся аккумулятору, s связи с чем потенциальные энергетические возможности остальных 25 аккумуляторов в полной мере не ис- пользуются, что существенно снижает удельные характеристики АБ в целом.

Известны способы эксплуатации AS, предусматривающие нивелирование уровней заряженности аккумуляторов и обеспечивающие тем саьнм возможность бблее полного заряда батареи, причем батарею на верхнем уровне заряженности, который определяют или по величине: напряжения (11 или по появлению кислорода в газовой фазе (21, или по счетчику. амперчасов p3) переводят в режим заряда током, близким к току неограниченного перезаряда. При этом из-за убывающего характера зависимости эффективности испсльзования зарядного тока от заряженности аккумулятора различие в уровнях заряженности аккумуляторов уменьшается, т.е. происходит инвели- рование всех аккумуляторсв АБ на верхнем уровне заряженности.

Известны также способы эксплуата» цин АБ, предусматривающие нивелирование заряженности аккумуляторов путем их глубокого индивидуального разряда до минимально допустимого уровня (4, 5). В этих способах прекращают использование АБ по прямому назначению и параллельно каждому аккумулятору подключают резистор на время дор аз р яда в се х акку мул яторо в, в с в язи с чем происходит нивелирование

748588

4 всех аккумуляторов на нижнем уровне заряженности.

К недостаткам этих способов следует отнести, во-первь(х, необходимость прерывания штатного и создание специального токового режима работы всей АБ или каждого из ее аккумуляторов на время нивелирования, в течение которого батарея не может;исполь,зоваться по назначению, а во-вторых, наличие непроизводительных затрат электроэнергии в,процессе нивелирования.

Наиболее близким к изобретению является способ эксплуатации AB предусматривающий на заряде AB в ходе ее использования по назначению нивелирование уровней з аряженн ости аккумуляторов путем их йндивидуальной разгрузки от тока внешней цепи батареи параллельно подключенными каждому аккумулятору элементами — электрохими- 20 ческими стабилизаторами напряжения (б|. По этому способу аккумуляторы, з аряженность которых достигла установленного уровня, определяемого величиной конечного 3 арядного напряжения, 25 задаваемого элементами, шунтирующими каждый из аккумуляторов, индивидуаль- но разгружаются от тока внешней цепи

АБ (шунтирующий элемент пропускает через себя зарядный ток АБ в обход аккумулятора) и их заряженность с этого момента не изменяется, а остальные аккумуляторы под действием тока внешней цени продолжают увеличивать свой уровень заряженности, чем и достигается нивелирование заряженности всех аккумуляторов на установленном уровне. При этом уровень заряженности аккумуляторов и степень их нивели-. рования определяется характеристикагу шунтирующих элементов. 40

Основными недостатками способа являются, во-первых, потери электроэнергии в процессе нивелирования, которая непроизводительно расходуется при отводе тока внешней цепи на инди- 45 видуальные шунтирующие элементы, что снижает энергетические характеристики

AB в целом, а также создает донолнител@ ную нагрузку на первичный генератор электроэнергии и на средства отвода 50 тепла, во-вторых, неидентичность из« менения в процессе эксплуатации AB характеристик аккумуляторов и шунтирующих элементов может llIpHBBcTH к недозаряду или перезаряду отдельных аккумуляторов и, как следствие, к снижению э.нергетических и ухудшению эксплуатационных характеристик AB в-третьих, дпя осушествления процесса нивелирования необходимо количество шунтирующих элементов, равное 60 количеству аккумуляторов, а их характеристики должны удовлетворять предъявляеияв .требованиям по ограниче йию уровней э аряжеииости аккумуляторов при различных условиях и режимах работы в течение длительного времени, что сопряжено со значительными трудностями.

Кроме того, заряженность аккумуляторов, при которой производится нивелирование, определяется только величиной зарядного напряжения, задаваемого шунтирующими элементами, в то время как другие критерии заряженности, например давление, температура, появление кислорода, в принципе не могут быть использованы, что существенно сужает область применения этого способа.

KpoMe Toro, нивелирование заряженности аккумуляторов:производит; ся только на одном конкретном уровне и на одном режиме работы AB (например, на заряде), что также приводит .к недоиспользованию потенциальных энергетических воэможностей и, следовательно, снижению удельных характеристик АБ, Это объясняется следующим. Если, например, нивелирование производится на заряде AB на верхнем уровне заряженности аккумуляторов, то последующий разряд(из-за возможного различия в фактических емкостях аккумуляторов) должен быть прекращен по первому разрядившемуся аккумулятору во избежание его перезаряда. Следовательно, оставшаяся емкость остальных аккумуляторов не может быть ис« пользована, Цель из обретения - повышение удельных энергетических характеристик и увеличение срока службы AB.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу эксплуатации АБ операцию нивелирования произ водят как на заряде, так и на разряде AB путем поочередного выборочного подключения вспомогательного. накопителя электроэнергии (НЭ) определенной емкости к аккумуляторам с различающимися уровнями заряженности, которые контролируют в процессе циклирования батареи.

Ни велировани е уровней з аряженности аккумуляторов в предлагаемом способе обеспечивается следующим образом, Подключение НЭ к аккумулятору приводит к изменению энергетических характеристик его внешней цепи, из-за чего возникает различие в скоростях изменения уровня заряженности данного и остальных аккумуляторов AR. Для достижейия нивелирования заряженностей,очередность подключения НЭ к аккумулят.орам AB устанавливают таким, образом, чтобы указанное различие в скоростях приводило к уменьшению различия в уровнях заряженности. Действительно, если, например, на з аряде

AB к более заряженным аккумуляторам поочередно подключать предваритель- но разряженный НЭ, то он, накапливая электроэнергию (заряжаясь), отводит

748588 ее от этих аккумуляторов, поочередно уменьшая тем саум скорость их заря« да, а на разряде AS поочередно под° ключать НЭ к более разряженным аккумуляторам, то он, заряженный при заряде АБ, возвращает им накопленную электроэнергию (разряжается), уменьшая тем самым скорость их разряда.

Из этого следует, что изменение уровня з аряженности аккумулятора с подключенным НЭ как на заряде, так и на разряде AS замедляется, в то время как остальные аккумуляторы под действием полного тока внешней цепи

AS по уровню заряженности приближаются к аккумулятору с подключенным НЭ, т.е. происходит поочередное нивелиро,вание уровней заряженности всех аккумуляторов AS как на заряде, так и на разряде, при этом осуществляется направленная передача электроэнергии между аккумуляторами с различными уровнями .заряженности, а непроизводительные потери энергии (за исключением потерь в НЭ обусловленных тем, что его КПД и 1) отсутствуют, Следовательно, каждому аккумулятору AS можно сообщить на заряде и снять с него на разряде максимальное количество электричества, равное по величине его фактической емкости; и, 30 тем саьымр иметь максимально высокие удельные характеристики АБ в целом в течение длительного времени ее циклирования, Следует отметить, что определение 35 различия s уровнях заряженности, аккумуляторов может производиться по любому из критериев заряженности р что значительно расширяет область использования способа и упрощает выбор 40 средств его реализации.

По предлагаемому способу поочеред- . ное подключение НЭ к нивелируеьым коммутаторам производят выборочно, 4 причем в качестве очередного аккумулятора, к которому подключают НЭ, ..выбирают аккумулятор, имеющий на разряде AS наименьший, а на заряде - наибольший уровень заряженности, Указанным выборочным подключением дости 50 гается, во-первых, повышение надежности йредотвращения перезаряда и переразряда и, как следствие, увеличение срока службы AS, поскольку в качестве очередного аккумулятора для SS подключения НЭ (для задержки изменения уровня его заряженности) выбирается именно тот аккумулятор, уровень заряженности которого быстрее всех достигнет предельно допустимой вели- 60 чины, а во-вторых, ускорение процесса нивелирования, т.е, НЭ в первую очередь подключается к аккумулятору с наибольшим различием в уровне за- ряженности.

Емкость вспомогательного НЭ Q определяют из условия п

О„„ъ Е (с „-q„-), 11 где Q . .— фактическая емкость i-ro

1 аккумулятора АБ;

Q — наибольшая из Q - фактичесК 1 кая емкость;

n — количество аккумуляторов в батарее;

1,...,n, Выполнением этого условия обеспечивается, во-первых, воэможность ни- велирования уровней заряженностей всех аккумулят оров AS одним НЭ, а, во-вторых, исключается выбор НЭ с

:многократным запасом по емкости (при равенстве в указанном условии), чем достигается уменьшение его массы, и, как следствие, увеличение удельных характеристик системы АБ + НЭ, Поочередное нивелирование произво.дят с момента достижения первым из аккумуляторов установленного уровня заряженности, например близкого к предельно допустимому, в связи с чем достигается воэможность заряда и разряда всех аккумуляторов до предельно допустимого уровня, и, как следствие„ полное использование потенциальных воэможностей АБ. Это следует из того, что максимальный заряд и разряд АБ возможей лишь фа достижении предельной заряженности всеми аккумуляторами одновременно, что и происходит при нивелировании аккумуляторов на уровнях заряженности, близких к предельно допустиьым, Нивелирование производят при достижении заданного различия в уровнях з аряженности аккумуляторов AS. Поскольку при малых различиях в уровнях заряженности аккумуляторов эффективность нивелирования значительно уменьшается, а упомянутые различия накапливаются в течение длительного циклирования AS, то указанным порядКоМ нивелированйя -достигается уменьшение количества подключений НЭ, и, как следствие, увеличение ресурса работы как НЭ, так и других средств, ре али зующи х д ан ный с по со б .

В качестве НЭ используют аккумулятор такой же электрохимической системыр как и аккумулятор батареи.

Вследствие того, что как характеристики, так и их изменение во времени для НЭ и аккумуляторов AS аналогичны, обеспечиваешься эффективность нивелирования в течение длительного циклирования AS„

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых, в качестве примера, приведены з ависимости изменения во времени уровней заряженности аккумуляторов AS (в долях фактической емкости Q/Q ) и электроэнергии

748588

30 в НЭ (W) в процессе нивелирования как на заряде, так и на разряде батареи. С целью наглядности принято г

Р что только два иэ и аккумуляторов

AB отличаются уровнем заряженности

f а остальные и - 2 аккумулятбров иден- 5 тичны, и что иэменение упомянутых э ависимостей происходит по линейному закону. Кроме того, изображена только часть процесса циклирования AB что показано соответствующей оцифров- )p кой оси абсцисс, и показ ан процесс нивелирования аккумуляторов с момента достижения первым иэ них установленного уровня з.аряженности, блиэкого к предельно допустимому.

Нз фиг. 1 показан процесс нинели15 рования аккумуляторов на заряде АБ, Кривыми 1 и 2 обозначены зависимости изменения во времени уровней заряженности двух аккумуляторов АВ

I кривой 3 — остальных n — 2 аккумуля-. торов, а кривой 4 — изменение электроэнергии в НЭ. Прямая 5 соответствует установленному уровню заряженности

7 с момента достижения которого первым из аккумуляторов АБ производят операцию нивелирования, а прямая 6 предельно допустимому уровню заряженности аккумуляторов AB. моменты поочередной коммутации НЭ к аккумуляторам АБ, t + — моменты прекращения заряда AB d и Š— наперед заданные величины различия в уровнях э аряженности аккумуляторов АБ, по которым определяют необходимость подключения и отключения НЭ соответствен-35 но.

Процесс нивелирования уровней заря. женности аккумуляторов на заряде AB осуществляется следующим образ ом (см. Фиг. 1) . 49

В ходе использования AS по назначению на заряде контролируют уровни заряженности аккумуляторов (кривые

1-3) и сравнивают их с установленным уровнем (прямая 5) . В момент достижения первым аккумулятором АБ уст анов- 45 ленного уровня (момент времени () выполняют следующую совокупность операций: определяют наибольшую величину различия в уровнях з аряженности аккумуляторов (расстояние между кривыми 1 и 3) и, если она превышает наперед заданную величину (g),- . выявля- . ют аккумулятор с наибольшим уровнем з аряженности (кривая 1) и подключают к нему НЭ. С этого момента увеличи-. 55 вается количество .электроэнергии:в

НЭ (кривая 4) и умЕньшается различиЕ между уровнями заряженности аккумулятора с подключенным НЭ и аккумулятора с наименьшим уровнем заряженности 0 (уменьшается расстояние между кривыми 1 и 3), и в момент времени (t ), когда зто различие достигает наперед заданной величины (f,), НЭ отключают от этого аккумулятора.

Далее повторяют упомянутую совокупность операций, в ходе выполнения которых НЭ подключают (в момент )Я1 к очередному аккумулятору с наибольшим уровнем заряженности (кривая 2)

I а затем отключают (в момент t ) ког3 да различие в его уровне заряженности (расстояние между кривыми 2 и 3) достигает наперед з аданной величины (Е), при этом количество электроэнергии в НЭ увеличивается (кривая 4 на интервале at = t> — t.> )

В результате проведенных операций нивелирования различие в уровнях заряженности всех аккумуляторов (расстояния между любыми двумя кривыми из числа кривых 1-3) будет меньше наперед заданной величины (cF) .- Бата рею заряжают далее и в момент достижения любым из и аккумуляторов (кривая 1) предельно допустимого уровня заряженности (прямая 6) з аряд АБ прекращают (момент tg) . При этом (на интервале b, t t 4 t y) НЭ K BKRÓ Ón торам не коммутируют, в связи с чем количество электроэнергии в нем сохраняется на постоянном уровне.

На фиг, 2 показан процесс нивелирования уровней з аряженности аккумуляторов при разряде AS.

Кривыми 1-4 на фиг, 2 соответственно обозначены такие.же зависимости как и на фиг. 1, только на разряде

AB. Пряжами 5 и 6 обозначены соответственно заранее установленный уровень заряженности аккумуляторов, начиная с которого производят нивелирование на разряде и предварительно допустимый

Уровень разряда аккумуляторов AS.

Моменты t« t t>, а также величины (} H Я соответствуют тем же обозначениям, что и на фиг, 1; 1, - момент прекращения разряда AS.

Процесс нивелирования уровней заряженности аккумуляторов на разряде

AS (cM. фиг. 2) осуществляют аналогич но нивелированию на заряде (см.фиг.1) .

Отличие состоит лишь в том, что поочередное подключение НЭ производят к аккумуляторам с наименьшим уровнем заряженности, а также в том, что в . ходе нивелирования аккумуляторов на разряде АБ (на интервалеь1 =t -й )

Ь 4 количество электроэнергии в НЭ уменьшается (он отдает электроэнергию

l накопленную в процессе нивелирования аккумуляторов на заряде AS) .

Поскольку на момент прекращения заряда и разряда AB (моменты 4 на фиг. 1 и 2) различия между уровнями, заряженности аккумуляторов не превос" ходят наперед заданной величины ! и могут быть сколь угодно малыми (при соответствующем выборе(PH E) то изложенные выше операции нивелирования позволяют соответственно зарядить: и разрядить все аккумуляторы АБ до предельно допустимого уровня и, тем

748588

ОУ

0,8

3. Способ по п, 1, о т л и ч а = ю шийся тем, что емкость накопителя определяют из условия и Ф ок

1=1 где Q - Фактическая емкость i-ro .1 ак ку мул я тора у

Q - наибольшая из Q„. фактическая емкость;

n - количество аккумуляторов в батарее;

1 1ре ° ° рп

4„ Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что накопитель подключают и отключают соответственно при достижении наперед заданных различий в уровнях заряженности аккумуляторов батареи.

5. Способ по пп. 1, 2, 4, о т л и ч а ю шийся тем, что нивелирование производят с момента достижения любым аккумулятором установленного уровня заряженности, например близкого к предельно допустимому °

6. Способ по пп. 1 и 3, о т л ич а ю шийся тем, что в качестве накопителя электроэнергии используют аккумулятор такой же электрохимической система, как и аккумуляторы батареи °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3794905, кл. 320-20, 10

1974.

2. Патент СШЛ 9 3541422,кл,320-29, 1974.

3. Патент CLIIA М 3911350,кл,320- 32, 1976.

4, Патент COJA Р 3997830,кл. 320-5, ! 5 1976.

5. Вайлов A. М. и др, Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М., Связь, 1975, с, 9, 10 °

6. Цэнтер Б. И, О применении химотронных устройств в средствах управления и контроля химических источников тока, Вып, 10. Л. Энергия, 1975, с, 187-188 °

748588

Редактор Е. Яковчик

Заказ 5245/2 Тираж 844

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подпиойое

Филиал ППП Патент г. ужгород, ул, Проектйая, 4

07

W r

Фиг.2

Составитель И. Найдина

Техред И.Еелемеш корректор! С. Шекмар