Способ ускоренного заряда аккумуляторных батарей и устройство для его осуществления

Способ ускоренного заряда аккумуляторных батарей и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам и устройствам для сокращения времени заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Способ ускоренного заряда аккумуляторной батареи (АБ) заключается в пропускании через нее последовательности прямоугольных импульсов тока частотой 10-1000 с постоянной величины напряжения при постепенном уменьшении в ходе заряда амплитуды величины тока до 20% от исходной величины. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи состоит из выпрямителя, задающего генератора, компаратора, усилителя импульсов, прецезионного стабилизатора напряжения, амплитудного детектора, повторителя напряжения, источника опорного напряжения, электронного датчика температуры и устройства контроля знака производной dU/dt. При этом отрицательная силовая клемма выпрямителя соединена с общей точкой устройства, один вход стабилизатора напряжения соединен с силовой положительной клеммой выпрямителя, а выход предназначен для подключения положительного полюса батареи, первый вход усилителя импульсов соединен с положительным полюсом батареи, а второй вход соединен с первым выходом задающего генератора, вход амплитудного детектора которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход повторителя напряжения соединен с выходом амплитудного детектора, выход компаратора напряжения соединен с входом управления стабилизатора, а первый вход соединен с выходом задающего генератора, первый выход источника опорного напряжения соединен с другим входом стабилизатора, а второй выход соединен со вторым входом компаратора и выходом повторителя напряжения, выход электронного датчика температуры соединен с первым входом источника опорного напряжения; вход устройства контроля знака производной dU/dt соединен с выходом повторителя напряжения, а выход соединен со вторым входом источника опорного напряжения. Техническим результатом является повышение надежности и универсальности заряда АБ. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам и устройствам для сокращения времени заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей (АБ).

В настоящее время аккумуляторные батареи, такие как никель-кадмиевые, водородоникелевые или ионолитиевые аккумуляторные батареи, могут перезаряжаться несколько раз во время их срока службы. При этом перезарядка должна осуществляться под строгим контролем с целью сведения к минимуму возможности повреждения аккумуляторной батареи (например, см. "Зарядка аккумуляторных батарей: продление срока службы". Bob Williams, "Cellular Business", апрель, 1989 г., с.44-49).

В повседневной практике зарядка АБ продолжается несколько часов. Зарядку проводят минутным (тонкоструйным) током, составляющим 1/10-1/20 мощности АБ или слабым током в 1/3-1/10 мощности батареи. В первом случае не осуществляется абсолютно никакого контроля за током, и период зарядки обычно заканчивается через примерно 10-15 час. Во втором случае осуществляют контроль после заранее установленного срока, который обычно длится от 5 до 10 часов. В обоих случаях зарядный период является слишком продолжительным, и существует опасность перезарядки, а также повышения температуры, вызванная избыточным током в случае, если батарея имеет некоторую оставшуюся мощность.

Для сокращения времени заряда было разработано множество систем для быстрой перезарядки аккумуляторных батарей. Во всех этих системах общепринято осуществлять контроль за напряжением и/или температурой заряжаемой аккумуляторной батареи и прекращать, или изменять подключаемый к батарее зарядный ток, когда температура или напряжение достигают заранее установленного уровня. Типичное предыдущее изобретение описано в патенте США 4006397, 1980, кл. Н 02 J 7/10.

Японские заявки на патенты 62-23528 и 62-23529 предлагают способ перезарядки аккумуляторных батарей, таких как никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, который отличается тем, что во время зарядки наблюдают за формой волны напряжения батареи, и если в волновом импульсе напряжения, определенном заранее, появляется некоторое количество точек отклонения и, если выявленные точки отклонения наблюдаются в определенной последовательности, то процесс зарядки прекращается. Однако для этого способа необходимо для каждого типа батарей заранее записывать в запоминающем устройстве изменения для формы волны напряжения этого типа батареи во время зарядки и изменить записанные данные до зарядки таким образом, чтобы они соответствовали данным этого типа заряжаемой батареи, что не только усложняет операции, но и не даст уверенности, с учетом окружающей среды в момент зарядки и предыстории батареи, в том, что форма волны выходных данных напряжения батареи будет последовательно идти за амплитудой записанной информации, в результате чего становится невозможным осуществить точную зарядку и перезарядку и трудно выполнить высокоскоростную зарядку без нанесения ущерба рабочим характеристикам батареи.

Более простым и быстрым является осуществление заряда АБ относительно мощным током в 1/3-1/1 мощности батареи и прекращение зарядки, когда значение напряжения заряжаемой батареи падает ниже заданного значения (обычно приблизительно 10 милливольт на элемент). Время завершения зарядки составляет примерно 1 час. В этом способе зарядки при относительно коротком периоде зарядки существует большая опасность избыточного тока и резкого повышения температуры. Кроме того, в этом способе в ряде случаев невозможно определить окончание зарядки в батареях (Пат. РФ 2138896, 1999, кл. H 02 J 7/10, яп. заявки 62-23529, 1985 и 62-23528, 1985, пат. США 5140252, 1992).

Наряду с использованием тока постоянной величины известны способы и устройства, обеспечивающие заряд АБ в импульсном режиме (Пат. РФ 2088000, 1997, кл. Н 01 М 10/44. Зорохович А.Е. и др. Устройство для заряда и разряда аккумуляторных батарей. - М.: Энергия, 1975, 4.3., Вайнел Дж. Аккумуляторные батареи. Изд. 4. - М.-Л.: ГЭИ, 1960, с.366, 367. Авторское свидетельство СССР N537407, кл. Н 02 J 7/12, 1976. Авторское свидетельство СССР N411552, кл. Н 01 М 45/04, 1974. Авторское свидетельство СССР N577609, кл. Н 02 J 7/10, 1977). Так известен способ заряда, сущностью которого является осуществление заряда АБ ассиметричным током от разряжаемой батареи и источника выпрямленного тока. Устройство содержит две АБ, выпрямитель-формирователь асимметричного тока, заряжаемая АБ, в котором включена на выходе, а разряжаемая - на входе моста последовательно с источником переменного тока. Устройство формирует два асимметричных тока, поразрядные импульсы заряжаемой АБ, в одном из которых служат поразрядными, а в другом обеспечивают форсированную подачу энергии в заряжаемую АБ и улучшение удельных энергетических показателей.

Недостатками данного способа и реализующего его устройства является длительность заряда, а также имеющиеся ограничения на номенклатуру АБ, подлежащих такому заряду.

Для реализации вышеуказанных способов, наряду с вышеуказанным, известно большое количество зарядных устройств (ЗУ) для АБ различной конструкции и мощности, в том числе с использованием выпрямителей на основе выпрямителей.

В частности, известно ЗУ, состоящее из выпрямителя, датчика тока, задатчика напряжения, регулятора тока заряда, узла сравнения, формирователя импульсов, электронных ключей, регулирующего элемента, корректирующей цепи, делителей напряжения, двух оптронных переключателей инвертора, компаратора и конденсатора (авт. св. СССР 1458929, кл. Н 02 J 7/10, 1987).

Недостатком устройства является его техническая сложность и дороговизна, что затрудняет его использование в повседневной практике, а также длительное время, необходимое для заряда аккумуляторной батареи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой группе изобретений является зарядное устройство, обеспечивающее импульсный заряд АБ и состоящее из выпрямителя, датчика тока, задающего генератора напряжения, регулятора тока заряда, узла сравнения, формирователя импульсов, семи электронных ключей, регулирующего элемента, корректирующей цепи, четырех делителей напряжения, двух оптронных переключателей инвертора, компаратора, конденсатора и усилителя импульсов (авт. св. СССР 1557630, кл. Н 02 J 7/10, 1990) и способ его применения, который заключается в пропускании через АБ импульсов зарядного тока при постоянстве амплитудного значения напряжения.

Недостатком устройства является его техническая сложность и дороговизна, что затрудняет его использование в повседневной практике.

Кроме того, при использовании ЗУ для заряда АБ при постоянстве амплитудного значения напряжения при прохождении импульсов зарядного тока, или при заряде при постоянном напряжении ЗУ потребляет в начале очень большой ток, что требует очень мощных источников питания.

Задачей, стоявшей перед автором, являлось создание более надежного и более универсального способа заряда АБ и устройства для его осуществления при работе с токами относительно небольшой мощности.

Указанная цель достигалась за счет осуществления заряда АБ последовательностью прямоугольных импульсов напряжения частотой 10-1000 Гц при постепенном уменьшении в ходе заряда амплитуды величины тока до 20% от исходной величины и сохранении постоянной величины напряжения, которая для каждого типа АБ экспериментально, находясь в диапазоне 1,47-4,5 В в зависимости от температуры окружающей среды.

Способ осуществляется следующим образом. Началу заряда, в случае полностью разряженной батареи, соответствует минимальное значение скважности импульсной последовательности, изменяющейся в диапазоне 1,05-1,2.

В ходе дальнейшего заряда, на клеммах АБ при прохождении через нее импульса тока поддерживается выбранная величина напряжения, что автоматически приводит к постепенному снижению амплитуды токовых импульсов по мере заряда АБ. При уровне заряженности батареи 85-90% от ее номинальной емкости величина скважности импульсной последовательности тока достигает величины 5-20. Постепенное увеличение пауз между импульсами (увеличение скважности) снижает поляризацию электродов и способствует поглощению кислорода в паузах.

Предлагаемый способ заряда обеспечивает заряд полностью разряженного аккумулятора до уровня 80-90% номинала заряженности за 1 час и полный заряд за 2 часа при коэффициенте использования тока, близком к 100%, практическом отсутствии разогрева аккумулятора, и рабочем давлении, не превышающем 0,5-0,8 ати. При этом на заряд в указанном режиме может быть установлена АБ с любым уровнем заряженности в связи с тем, что на основном участке заряда (до достижения 80% емкости) величина тока в импульсе автоматически определяется параметрами самой АБ и температурой окружающей среды, что исключает его перезаряд.

Критерием, по которому ведется изменение скважности импульсной последовательности зарядного тока, является величина U=U_стаб-U_нрц, где U_стаб - верхнее жестко установленное (стабилизированное) напряжение, а U_стаб - величина напряжения на АБ при нормально разомкнутой цепи.

Величина тока (амплитудное значение) в любой момент времени определяется как 1-U/R_A, где R_А - полное сопротивление АБ в данный момент времени, которое изменяется в процессе заряда и разряда и зависит от температуры окружающей среды и плотности протекающего через нее тока.

Для создания оптимального процесса заряда организация метода широтно-импульсной модуляции происходит по закону обеспечения во время зарядного процесса максимально возможной плотности зарядного тока при условии постоянного убывания U.

I_зар=I_макс=U/R_A, при условии dU/dt0, где I_зар - действующее значение зарядного тока.

Устройство содержит: - выпрямитель (ВП) 1, отрицательная силовая клемма которого соединена с общей точкой устройства; - прецезионный стабилизатор (СН) 2 напряжения, один вход которого соединен с силовой положительной клеммой ВП 1, а выход предназначен для подключения положительного полюса АБ; - задающий генератор (ГЗ) 3; - усилитель импульсов (УИ) 4, первый вход которого соединен с положительным полюсом АБ, а второй вход соединен с первым выходом ГЗ 3; - амплитудный детектор (АД) 5, вход которого соединен с выходом УИ 4; - повторитель напряжения (ПН) 6, вход которого соединен с выходом АД 5; - компаратор напряжения (КН) 7, выход которого соединен с входом управления СН 2, а первый вход КН 7 соединен с выходом ГЗ 3; - источник опорного напряжения (ИН) 8, первый выход которого соединен с другим входом СН 2, а второй выход соединен со вторым входом КН 7 и выходом ПН 6; - электронный датчик температуры (ДТ) 9, выход которого соединен с первым входом ИН 8; - устройство контроля знака производной dU/dt (КЗ) 10, вход которого соединен с выходом ПН 6, а выход соединен со вторым входом ИН 8.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания с ВП 1 на схему устройства, на выходе СН 2 устанавливается стабилизированное напряжение, величина которого жестко выставляется пропорционально величине напряжения на первом выходе ИН 8. Величина напряжения на первом выходе ИН 8 жестко коррелирована с температурой окружающей среды и управляется с выхода ДТ 9. (Чем выше температура окружающей среды, тем меньше величина опорного напряжения на первом выходе ИН 8 и наоборот).

Зависимость величины напряжения на первом выходе ИН 8 от температуры устанавливается экспериментально. ГЗ 3 вырабатывает на втором выходе пилообразное напряжение, а на первом выходе прямоугольные импульсы, частота которых совпадает с частотой следования пилообразных импульсов на втором выходе. Пилообразное напряжение, поданное с ГЗ 3 на первый вход КН 7, сравнивается с величиной напряжения, поданного со второго выхода ИН 8 и выхода ПН 6 на второй вход КН 7. В результате сравнения величин этих напряжении на выходе КН 7 образуется последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых меняется в зависимости от величины напряжения на выходе ПН 6.

В начальный момент включения величина напряжения на входе ПН 6 равна нулю и на выходе КН 7 идет последовательность импульсов, скважность которых минимальна. На выходе СН 2 в момент включения скважность импульсов напряжения наоборот минимальна, т.е. сигнал на выходе СН 2 инвертирован относительно сигнала с выхода КН 7. При поступлении на АБ импульсов напряжения с выхода СН 2, он начинает заряжаться. С положительного полюса АБ на вход УИ 4 поступает переменная составляющая напряжения, которая усиливается и поступает на вход АД 5, где происходит выделение ее амплитуды. С выхода АД 5 напряжение, величина которого прямо пропорциональна величине переменной составляющей напряжения на АБ, поступает через ПН 6 на второй вход КН 7. В зависимости от степени заряженности, подключенной на заряд АБ, амплитуда переменной составляющей будет изменяться, т.е. будет меняться и величина напряжения на втором входе КН 7, что повлечет за собой изменение скважности на выходе КН 7 и СН 2. В случае заряда полностью разряженного аккумулятора переменная составляющая напряжения, поступающая на вход УИ 4, будет большая, а следовательно, будет большей и величины напряжения на ПН 6. При этом на выходе КН 7 будет последовательность импульсов напряжения с большой скважностью, а на выходе СН 2 наоборот. В результате через заряжаемую АБ будут протекать импульсы тока, длительность которых намного превышает паузы, т.е. скважность последовательности зарядных токовых импульсов будет мала и близка к единице. По мере заряда АБ амплитуда, переменной составляющей на ней будет убывать, а следовательно, будет убывать и величина напряжения на выходе ПН 6. В результате будет изменяться скважность импульсной последовательности на выходе КН 7 и СН 2.

Таким образом, будет происходить широтно-импульсная модуляция импульсов зарядного напряжения и тока. К концу заряда амплитуда переменной составляющей на АБ уменьшится, а следовательно, уменьшится и величина напряжения на выходе ПН 6. На выходе КП 7 скважность импульсной последовательности уменьшится, а на выходе СН 2 увеличится. Импульсы зарядного тока в конце заряда уменьшатся по длительности и амплитуде. Увеличение паузы между импульсами зарядного тока в конце заряда способствует лучшему поглощению выделяемого кислорода. Сильное уменьшение действующего значения зарядного тока в конце заряда способствует тому, что АБ переходит в режим подзаряда и может находиться в этом режиме продолжительное время без отключения устройства.

С целью защиты заряжаемой АБ от перезаряда в устройстве имеется КЗ 10, который работает следующим образом. В случае заряда исправной АБ и нормальной работы ДТ 9, величина напряжения на выходе ПН 6 постоянно падает и в конце заряда становится постоянной. При заряде неисправной АБ или при выходе из строя ДТ 9, а равносильно ИН 8 могут создаться условия возможности перезаряда АБ. В этом случае величина напряжения на выходе ПН 6 после начального уменьшения начнет расти и таким образом производная dU/dt поменяет знак. При этом КЗ 10 дает сигнал на ИН 8 для уменьшения опорного напряжения, подаваемого на другой вход СН 2, и таким образом отключая ток заряда.

Использование вышеописанного зарядного устройства и заявляемый способ обеспечивают заряд полностью разряженного аккумулятора до уровня 80-90% номинала заряженности за 1 час и полный заряд за 2 часа при коэффициенте использования тока, близком к 100%, практическом отсутствии разогрева АБ и рабочем давлении, не превышающем 0,5-0,8 ати.

Формула изобретения

1. Способ ускоренного заряда аккумуляторной батареи путем пропускания через нее последовательности прямоугольных импульсов тока частотой 10-1000 Гц с постоянной величиной напряжения при постепенном уменьшении в ходе заряда амплитуды тока до 20% от исходной величины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину напряжения для каждого типа аккумуляторных батарей подбирают экспериментально в зависимости от температуры окружающей среды в диапазоне 1,47-4,5 В.

3. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи, содержащее выпрямитель, компаратор напряжения, задающий генератор и усилитель импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит прецезионный стабилизатор напряжения, амплитудный детектор, повторитель напряжения, источник опорного напряжения, причем стабилизатор напряжения соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи, компаратором напряжения, источником опорного напряжения и выпрямителем, усилитель импульсов соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи и задающим генератором, компаратор напряжения соединен с задающим генератором и источником опорного напряжения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электронный датчик температуры и устройство контроля знака производной dU/dt.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что отрицательная силовая клемма выпрямителя соединена с общей точкой устройства, один вход стабилизатора напряжения соединен с силовой положительной клеммой выпрямителя, а выход - с положительным полюсом батареи, первый вход усилителя импульсов соединен с положительным полюсом батареи, а второй вход соединен с первым выходом задающего генератора, вход амплитудного детектора соединен с выходом усилителя импульсов, вход повторителя напряжения соединен с выходом амплитудного детектора, выход компаратора напряжения соединен с входом управления стабилизатора напряжения, а первый вход соединен с выходом задающего генератора, первый выход источника опорного напряжения соединен с другим входом стабилизатора напряжения, а второй выход соединен со вторым входом компаратора и выходом повторителя напряжения.

6. Устройство по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что выход электронного датчика температуры соединен с первым входом источника опорного напряжения, вход устройства контроля знака производной dU/dt соединен с выходом повторителя напряжения, а выход соединен со вторым входом источника опорного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.02.2005        БИ: 06/2005