Способ эксплуатации аккумулятор-ной батареи

Способ эксплуатации аккумулятор-ной батареи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(i i) 794687

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцнглнстнческнх

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.01.79 (21) 2707957/24-07 с присоединением заявки № (51) M. Кл.з

Н 01 М 10/42 (43) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.81 (53) УДК 621.355.1 (088.8) ло делам изобретений н открытий (72) Авторы изобретения

Д. Г. Белов, С. В. Медведников и И. Т. Перекопский (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОР HОA

БАТАРЕИ

ГосУдаРственный комнтет (23) Приоритет

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации батарей химических аккумуляторов (АБ), длительно работающих в циклическом режиме.

В процессе многократного циклирования

АБ на ограниченную глубину происходит деградация (процесс изменения в сторону ухудшения) ее характеристик, обусловленная неидентичностью и различным изменением характеристик аккумуляторов, которые, накапливаясь во времени, существенно снижают работоспособность батареи.

Одним из эффективных методов восстановления электрических характеристик длительно циклируемых аккумуляторов является их глубокий (полный) разряд (1).

Известны способы эксплуатации АБ, предусматривающие восстановление ее электрических характеристик или путем периодического глубокого разряда батареи на внешний общий резистор с последующим ее зарядом (2), или путем индивидуального полного разряда каждого аккумулятора перед зарядом батареи (3), причем в известных способах на время восстановления характеристик АБ рабочая нагрузка от нее отключается, т. е. все аккумуляторы батареи разгружаются от тока внешней цепи

АБ.

Основные недостатки этих способов заключаются в необходимости прекращения использования АБ по прямому назначению (питание рабочей нагрузки) на время вос5 становления ее характеристик, а также в неполном разряде (частичное восстановление) отдельных аккумуляторов из-за их неодинаковой заряженности, в связи с чем прекращение разряда батареи производят

10 по первому разрядившемуся аккумулятору (в способах с разрядом АБ на общий резистор).

Из известных способов ближе всех к предлагаемому по технической сущности

15 является способ эксплуатации АБ, предусматривающий восстановление характеристик батареи путем периодического равномерного и полного разряда всех аккумуляторов на индивидуальные резисторы, под20 ключаемые одновременно параллельно каждому аккумулятору АБ (4). После окончания разряда аккумуляторов, который контролируют по напряжению на выходе

АБ, резисторы отключают и производят за25 ряд батареи. На время восстановления характеристик батареи она разгружается от рабочего тока внешней цепи (рабочая на. грузка получает электроэнергию от другой батареи с эквивалентными характеристиками). Управление процессом восстановления

Т = (ч.), u+b(1 — ) характеристик АБ осуществляют по внешним командам.

Основной недостаток этого способа заключается в невозможности использования

АБ по прямому назначению при восстановлении ее характеристик (из-за полного одновременного разряда всех аккумуляторов), в связи с чем на этом интервале времени необходимо либо иметь дополнительный источник электроэнергии с соответствующими характеристиками для питания рабочей нагрузки, что существенно увеличивает массу источников питания, либо прекратить снабжение потребителей электроэнергией, что во многих применениях АБ неприемлемо. Кроме того, разряд батареи при восстановлении ее характеристик создает дополнительную нагрузку на средства отвода и поглощения тепла, для уменьшения которой необходимо увеличивать длительность разряда аккумуляторов при восстановлении характеристик батареи (путем уменьшения величины разрядного тока), а это приводит к увеличению интервала времени, на котором данная батарея не может быть использована для питания рабочей нагрузки.

Наряду с отмеченными, прототип имеет также тот недостаток, что в нем периодичность восстановления характеристик АБ не ставится в зависимость от их реальной деградации, что ухудшает эксплуатационные характеристики батареи. Действительно, частые восстановления характеристик АБ энергетически невыгодны, так как энергия батареи при ее разряде расходуется непроизводительно, а при больших интервалах между восстановлениями характеристик их деградация может оказаться существенной, что также ухудшает возможности батареи.

Целью изобретения является обеспечение возможности непрерывного использования батареи по прямому назначению (питание рабочей нагрузки) и улучшение ее эксплуатационных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от известных способов эксплуатации АБ, ее аккумуляторы (одновременно с циклированием батареи) исключают из цепи батареи поочередно по одному на время восстановления характеристик, в ходе глубокого разряда (каждого) аккумулятора измеряют интервал времени между моментами достижения напряжением двух фиксированных ранее значений, определяют на какую величину уменьшился этот интервал в сравнении с интервалом, который измеряют на контрольном разряде перед началом эксплуатации батареи, по окончании глубокого разряда производят выдержку длительностью (Т), обратнопропорциональной полученной разности интервалов, а заряд ведут до уровня, равного наибольшему среди уровней заряженности остальных аккумуляторов АБ.

Зо

В этом случае, во-первых, в любой момент времени разгружают и восстанавливают характеристики только одного (исключенного из цепи АБ) аккумулятора батареи, а остальные от тока внешней цепи не разгружают и используют по прямому назначению, т. е. непрерывно обеспечивается питание рабочей нагрузки. Во-вторых, периодичность восстановления характеристик аккумуляторов устанавливают с учетом их реальной деградации, что способствует улучшению эксплуатационных характеристик батареи. Это достигается тем, что в ходе глубокого разряда определяют деградацию характеристик аккумулятора по величине разности интервалов времени между моментами достижения напряжением двух фиксированных значений, которые измеряют в ходе восстановления и перед началом эксплуатации, после глубокого разряда производят выдержку, обеспечивая тем самым лучшую восстанавливаемость характеристик аккумулятора за счет нахождения его в «обнуленном» состоянии, причем, чем больше разность интервалов, тем меньше выдержка и меньше интервал восстановления характеристик очередного аккумулятора (время от начала глубокого разряда до завершения последующего заряда); следовательно, ускоряется восстановление характеристик АБ, а при малой разности интервалов (малая деградация), за счет увеличения длительности выдержки, частота восстановлений характеристик аккумуляторов, а следовательно, и батареи, уменьшается. Таким образом, обеспечивается адаптация периодичности восстановления характеристик аккумуляторов АБ к действительной их деградации.

Оптимизация частоты восстановлений характеристик АБ (в смысле поддержания стабильными ее характеристик и минимизации потерь электроэнергии) достигается тем, что длительность выдержки Т при восстановлении очередного аккумулятора определяют по формуле где т — отношение интервалов времени между моментами достижения напряжением аккумулятора двух фиксированных значений, которые измеряют при глубоком разряде в ходе восстановления и перед началом эксплуатации; а, b — эмпирические коэффициенты, значение которых выбирают в зависимости от типоразмера и режима работы применяемых аккумуляторов.

В-третьих, восстановление характеристик каждого аккумулятора заканчивают зарядом до уровня равного наибольшему из

794687 уровней заряженности остальных аккумуляторов АБ, чем обеспечивается выравнивание емкостных характеристик отдельных аккумуляторов, что также способствует улучшению эксплуатационных характеристик АБ.

Кроме того, в предлагаемом способе поочередное восстановление характеристик аккумуляторов производят выборочно, причем в качестве очередного аккумулятора для восстановления выбирают аккумулятор с наименьшим уровнем заряженности. Поскольку изменение характеристик аккумуляторов в общем случае происходит не одинаково, а эксплуатационные характеристики батареи определяются в основном по худшему аккумулятору, то указанным выборочным восстановлением также достигается улучшение эксплуатационных характеристик АБ.

Далее, в связи с тем, что при восстановлении характеристик любого из N аккумуляторов АБ он в питании рабочей нагрузки не используется, то, с целью сохранения неизменными режима работы остальных

N — 1 аккумуляторов и выходных характеристик батареи, начало восстановления характеристик очередного аккумулятора (момент его исключения из цепи АБ) совмещают с моментом окончания процесса восстановления характеристик предыдущего аккумулятора, а в батарее дополнительно используют один аккумулятор. В данном случае неизменность режима и выходных характеристик батареи обеспечивается тем, что питание рабочей нагрузки осуществляют всегда от N — 1 аккумуляторов (в любой момент времени один из аккумуляторов АБ находится в режиме восстановления), а восстанавливаемый аккумулятор компенсируют использованием в АБ дополнительного аккумулятора.

На чертеже графически изображен пример процесса восстановления характеристик аккумулятопов в ходе непрерывного использования АБ по прямому назначению (питание рабочей нагрузки совместно с генератором электроэнергии) . С целью наглядности здесь изображена только часть процесса эксплуатации АБ и принято, что изменение во времени уровней заряженности Q как батареи при ее циклировании, так и аккумуляторов при восстановлении их характеристик происходит по линейному закону, а в исходном состоянии N — 1 аккумуляторов батареи заряжены до срабатывания ограничителя заряда, один аккумулятор полностью разряжен и исключен из цепи АБ.

Эксплуатацию АБ осуществляют следующим образом (см. чертеж). С момента начала эксплуатации (момент to) батарею непрерывно используют цо назначению, при этом уровень заряженности ее N — 1 аккумуляторов (под действием рабочей нагруз=

TH где 1 — т — 1 ——

60 ют этим (восстановленным) аккумулятором очередной (с наименьшим уровнем за-:

65 ряженности) аккумулятор, из нида

40 ки и генератора электроэнергии) циклически изменяется во времени (кривая а; принято, что эти аккумуляторы не обличаются уровнем заряженности) в пределах, ограниченных установленной допустимой глубиной заряда (прямая б) и разряда (прямая 8). С этого же момента времени начинают заряд разряженного аккумулятора, в ходе которого контролируют уровни заряженности данного и остальных аккумуляторов АБ (прямая г и кривая а соответственно), и в момент равенства этих уровней (момент tt) заряд этого аккумулятора прекращают, включают его в цепь АБ и одновременно исключают из нее один из N — 1 аккумуляторов (например, путем замещения в цепи батареи одного аккумулятора другим) для восстановления его характеристик, причем исключают тот аккумулятор, который имеет наименьший уровень заряженности. Затем выполняют следующую последовательность операций. К исключенному из цепи АБ для восстановления характеристик аккумулятору (момент 1 ) подключают резистор и производят полный разряд (ниспадающая часть кривой д), в ходе которого измеряют интервал времени т,, между моментами достижения разрядным напряжением двух фиксированных значений и сравнивают его с интервалом то тр) т„, полученным на контрольном разряде этого же аккумулятора перед началом эксплуатации.

После окончания полного разряда (момент

t2), который контролируют по величине напряжения на аккумуляторе, например, при достижении напряжением наперед заданной величины, равной 0,1 В, производят выдержку при подключенном резисторе, длительность которой (интервал T= t3 t9) определяют по формуле

Т= (ч), а+ b (1 — ) — степень деградации характеристик аккумулятора, определенная в ходе глубокого разряда; а, b — эмпирические коэффи -циенты.

Затем отключают резистор (момент t3) и производят заряд этого аккумулятора" (например, от преобразователя, питаемого от АБ), в ходе которого контролируют уровни заряженности данного и остальных аккумуляторов (возрастающий участок кривой д и кривая а соответственно) и в момент их равенства (момент 4) замеща794687

25 (N — 1) работающих в АБ, для восстановления его характеристик. Далее вышеизложенную последовательность операций по восстановлению характеристик повторяют для каждого очередного аккумулятора, обеспечивая тем самым восстановление характеристик АБ без перерывов в ее использовании по прямому назначению. На чертеже восстановление характеристик следующего аккумулятора показано кривой е на интервале 4 — t4. Для общности представления процесса восстановления характеристик длительность выдержки для этого аккумулятора (интервал Т= t6 — t5) показана меньшей, чем для предыдущего аккумулятора (интервал Т = 1,— tq), т. е. принято, что деградация характеристик (величина

1 — т) у очередного аккумулятора больше, чем у предыдущего.

Следует отметить, что реализация предлагаемого способа может быть осуществлена известными устройствами, например, в таком составе: устройство поаккумуляторного контроля, устройство поочередной коммутации (замещения) аккумуляторов и устройство восстановления характеристик, включающее разрядный резистор, зарядное устройство, узел контроля напряжения, вычислитель и коммутирующий элемент.

Использование предлагаемого способа эксплуатации АБ обеспечивает следующие преимущества: возможность длительного использования АБ без перерывов для восстановления ее характеристик; улучшение эксплуатационных характеристик за счет поочередного выборочного восстановления и нивелирования характеристик аккумуляторов; повышение стабильности характеристик АБ благодаря оптимизации частоты восстановления ее характеристик; уменьшение нагрузки на средства отвода и поглощения тепла за счет поочередного разряда аккумуляторов.

Например, необходимо длительно обеспечивать непрерывное питание рабочей нагрузки от автономной системы, включающей АБ из 22-х никелькадмиевых аккумуляторов номинальной емкостью 30 А ч и массой 33 кг (при массе одного аккумулятора 1,2 кг) и периодически работающий генератор электроэнергии ограниченной производительности. При этом длительная работа АБ обеспечивается периодическим восстановлением ее электроэнергетических характеристик.

Если реализовать способ эксплуатации

АБ, принятый в качестве прототипа, то на время восстановления характеристик батареи для непрерывности питания рабочей нагрузки требуется вспомогательная батарея с аналогичными характеристиками, т. е. необходимо иметь две батареи с общей массой 66 кг (без учета силовых коммуникаций и согласующих устроцств для ко 130

Я мутации АБ из режима питания нагрузки в режим восстановления характеристик).

При реализации предлагаемого способа необходимо дополнительно иметь только один аккумулятор массой -1,2 кг, что приведет к общей массе батареи -34,5 кг (с учетом силовых коммуникаций и увеличения массы контейнера АБ для размещения аккумулятора) . Следовательно, масса АБ при ее эксплуатации по предлагаемому способу может быть уменьшена по сравнению с прототипом на -480/о. Кроме того, в предлагаемом способе пиковая тепловая нагрузка на средства терморетулирования при восстановлении характеристик меньше в N — 1 раз (где N=22 — количество аккумуляторов в батарее) по сравнению со способом, принятым в качестве прототипа.

Предлагаемый способ был проверен при эксплуатации АБ из 22-х никелькадмиевых аккумуляторов номинальной емкостью

30 А ч, входящей в состав системы бесперебойного электроснабжения группы циклически работающих потребителей. B качестве дополнительного аккумулятора использовался запасной аккумулятор, прилагаемый к АБ при ее изготовлении.

Перед началом проверки способа был проведен контрольный глубокий разряд (до напряжения 0,1 В на аккумулятор) каждого из аккумуляторов АБ, включая дополнительный, на резистор величиной

0.5 Ом.

При этом были измерена длительность интервалов времени между моментами достижения напряжением каждого аккумулятора двух фиксированных значений (1 В и

0,8 В). Значения измеренных интервалов находились в пределах 0,8 — 1,2 н. После этого АБ из 22-х аккумуляторов зарядили рабочим зарядом (один из аккумуляторов остался разряжен) и подключили к системе электроснабжения, где АБ в дальнейшем непрерывно циклировалась в автоматическом режиме. Контроль бесперебойности снабжения потребителей электроэнергией осуществлялся самопишущим вольтметром,. подключенным к нагрузке.

Восстановление характеристик аккумуляторов производили следующим образом.

Оставшийся незаряженным аккумулятор в ходе циклирования АБ заряжали током

5 А (от вспомогательного источника), при этом контролировали (по величине напряжения на аккумуляторах) уровень заряженности заряжаемого аккумулятора и аккумуляторов, циклируемых в составе АБ.

В момент времени, когда уровень заряженности этого аккумулятора стал павен наибольшему среди аккумуляторов АБ (аккумулятору с наибольшим напряжением), его заряд прекращали и включали в цепь

АБ и одновременно исключали из нее аккумулятор с наименьшим уровнем заряженности (аккумулятор с наименьшим напря794687

10 а+ Б (I — ) где

9. жением), т. е. производили в АБ замещение одного аккумулятора другим.

Переключение (замещение) аккумуляторов производили дистанционными переключателями ДП1-19.

К аккумулятору, исключенному из цепи

АБ, подключали резистор величиной 0,5ОМ и производили глубокий разряд до напряжения 0,1 В. В ходе разряда измеряли длительность интервала т„между моментами достижения напряжением 1 В и 0,8 В и определяли его уменьшение Лт в сравнении с интервалом то, измеренным перед началом циклирования АБ (Лт=то — „), После окончания глубокого разряда производили выдержку (при подключенном к аккумулятору резисторе) в течение времени

Т, которое определяли по формуле

T = (ч.), a+b 0 при этом значения эмпирических коэффициентов а и b принимались равными соответственно 0,02 и 0,13.

После выдержки аккумулятор заряжали током 5 А и контролировали уровень заряженности данного и остальных аккумуляторов АБ.

В момент времени, когда уровень заряженности данного аккумулятора стал равным наибольшему среди аккумуляторов в цепи АБ, заряд прекращали и производили очередное замещение этим восстановленным аккумулятором аккумулятора с наименьшим уровнем заряженности в цепи АБ.

В дальнейшем вышеизложенными операциями поочередно по одному производили восстановление характеристик АБ в течение 26 сут.

За время проверок способа эксплуатации

АБ было произведено 14 глубоких разрядов, при этом два аккумулятора восстанавливались 3 раза, один аккумулятор 2 раза и семь аккумуляторов по 1 разу; перебоев в питании потребителей не было. Этим подтверждена возможность восстановления характеристик АБ в ходе ее непрерывного использования по прямому назначению.

После завершения проверок все аккумуляторы АБ были разряжены контрольным глубоким разрядом с определением их разрядной емкости. Значения разрядных емкостей отличались не более чем на 3%, что подтвердило эффективность выравнивания емкостных характеристик аккумуляторов по этому способу.

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации аккумуляторной батареи, преимущественно длительно циклируемой, включающий периодическую разгрузку аккумуляторов от тока рабочей нагрузки и последующее восстановление их характеристик путем индивидуального глу.

55 бокого разряда и последующего заряда, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности непрерывного использования батареи по прямому назначению и улучшения ее эксплуатационных характеристик, аккумуляторы исключают из цепи батареи нг время восстановления их характеристик поочередно по одному, осуществляют глубокий разряд исключенного аккумулятора, измеряют интервал времени между моментами достижения его напряжением двух фиксированных ранее установленных значений, сравнивают измеренный интервал времени с интервалом, фиксированным на контрольном разряде перед началом эксплуатации батареи, по окончании глубокого разряда производят выдержку длительностью (Т), обратнопропорциональной полученной разности интервалов, а заряд ведут до уровня, равного наибольшему среди уровней заряженности остальных аккумуляторов батареи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве очередного восстанавливаемого выбирают аккумулятор с наименьшим уровнем заряженности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью сохранения неизменными режима работы аккумуляторов и выходных характеристик батареи, очередной аккумулятор исключают из цепи батареи в момент завершения восстановления характеристик предыдущего аккумулятора, а в батарее дополнительно используют один аккумулятор.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность выдержки (Т) определяют по формуле т — отношение интервалов времени между моментами достижения напряжением аккумулятора двух фиксированных значений, измеренных при его глубоком разряде в ходе и перед началом эксплуатации; а, b — эмпирические коэффициенты, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Sparks R. Н., Scott W. R. Application

of nickel-cadmium batteries in deep discharge synchronous orbit application «11 th

Intersoc, Energy Convers, Eng. Conf. Proc.

State Gine, Nev., 1976. Vol. 1», New York, № Y., s а., 517 — 520 (англ.).

2. Авторское свидетельство СССР № 417871, кл. Н 02 3 77//3344, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР № 267713, кл. Н 01 М 10/42, 1968.

4. Патент CUJA Я 3997830, кл. 320 — 5, 1976, 794687

4 р 4

Составитель И. Найдина

Техред Л. Куклина

Редактор T. Загребельная

Корректор О. Силуянова

Типография, пр, Дапунова, 2

Заказ 2721/19 Изд. № 116 Тираж 784 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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