Способ заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскми

Социалистическими

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<»i886140 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 24.03.80 (21) 2898391/24-07 с присоеаиненмем заявки ¹ (23) Приоритет (51) M. Кл.

Н 02 J 7/10

Н 01 М 10/44

Гооудирствкииый комитет

Опубликовано 30. 11. 81. Бюллетень ¹ 44 ио делам изабретеиий и открытий (53) УДК 671..35 5 163 (088.8) Дата опубликования описания 30. 11. 81 (72) Авторы изобретения

Л.В. Козелков, Е.В. Пугачев, Б.Я. Розе

А.П. Денисенко, В.Г. Иванов и Е.П. Мил

Сибирский металлургический институт (71) Заявитель т.

« (54) СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электро технике, в частности к способам и устройствам для заряда герметичных аккумуляторов.

Известен способ заряда аккумуляторных батарей, при котором после фазы интенсивного заряда постоянной величиной тока при достижении определенного напряжения батареи продолжают заряд импульсным током. Во время второй фазы заряда, когда превытe шается указанная величина напряжения, аккумулятор выдерживают определенное время, после чего осуществляют заряд импульсным током 11 ).

Недостатками указанного способа являются невозможность его применения для заряда некоторых типов аккумуляторных батарей (например, герметичных) из-за большой величины то20 ка в конце заряда,что приводит к преждевременному повреждению аккумуляторов, а также необходимость отключения батареи на некоторое время при превышении определенной величины напряжения, в результате чего увеличивается время заряда батареи.

Известен также способ,заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале заряд производят сильным током до заданного напряжения, а затем батарею заряжают неизменными по уровню импульсами тока, и, таким образом, осуществляют доэаряд в течение, заданного времени, по истечении которого импульс заряда отключают, е в паузах измеряют напряжение покоя и сравнивают с эталонным напряжением, импульсный Заряд прекращают при достижении в период установленного времени напряжения покоя батареи величины, не ниже эталонного напряжения f2(.

Недостатком данного способа является необходимость отключения батареи от зарядного устройства в конце заряда. Кроме того, осуществляется контроль по шести параметрам:, по на886>40

55 пряжению, до которого проводится заряд большим током, по неизменной величине импульсного тока, по длитель ности импульса тока, по длительности паузы, по длительности измерения напряжения покоя и по неизменной величине эталонного напряжения. Неизменная величина импульсов тока и их длительность в зависимости от физи-. ческого состояния аккумуляторной батареи может привести при заряде к повышенному выделению газа и, вследствие этого, к сокращению срока службы аккумуляторов, особенно герметичных., Известен также способ заряда аккумуляторной батареи, который включает фазу быстрого заряда, во время которой напряжение -батареи возрастает до величины, обеспечивающей закипание электролита, и медленную фазу определенной длительности. Кроме того, процесс заряда содержит промежуточную. фазу, в течение которой происходит изменение тока от уровня, обеспечивающего быстрый заряд до уровня тока медленного заряда. Длительность промежуточного этапа определяется двумя величинами напряжения, соответствующими указанным плотностям тока заряда СЗ).

Недостатком указанного способа является невозможность осуществления быстрого и полного .заряда аккумуляторов без отключения их от зарядного устройства в конце заряда. Если же устройство вовремя не отключить, то . аккумуляторы, особенно герметичные, выйдут из строя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ заряда аккумуляторной батареи, при котором вначале батарея заряжается номинальным зарядным током до достижения определенного значения напряжения на каждом элементе, после чего заряд осуществляют при постоянном напряжении вплоть до флотирующего режима $4 J.

Известно устройство для автоматического заряда аккумуляторной батареи, обеспечивающее получение нескольких режимов заряда. В первом режиме батарея заряжается выпрямленным неизменным током. Когда напряжение на зажимах аккумуляторной батареи доходит до величины, составляю. щей определенную часть напряжения полного заряда, схема переводится во второй режим заряда, характеризуемый

15 яо

25 зо

4 уменьшенным током и скоростью заряда. В третьем режиме, которой обеспечивается схемой, по достижении напряжения на зажимах батареи опреде" ленного промежуточного значения, заряд осуществляется нестабилизированным выпрямленным током до получения на зажимах батареи максимального напряжения. Далее схема переводится в четвертый режим дозового подзаряда батареи ограниченным током (5 ).

Однако устройство имеет сложное схемное решение и осуществляет переключение с режима на .режим в процессе заряда только в зависимости от уровня напряжения на зажимах аккумуляторной батареи, что не всегда обеспечивает сохранность аккумуляторов.

Известно устройство, обеспечивающее быстрый заряд аккумуляторных батарей, содержащее источник постоянного тока, с которым батарея связана через первый выключатель, регулятор то.— ка и второй выключатель, термостабилизированный датчик, связанный со вторым выключателем и реагирующий на напряжение батареи в процессе заряда, нагрузку, связанную с аккумуляторной батареей через третий выключатель, датчик тока и датчик напряжения нагрузки, термостабилизированные чувствительным элементом, схему, которая управляет датчиком, вторым и третьим выключателями и содержит полупроводниковые стабилитроны, тиристор, электромагнитные реле, хронирующую ВС-цепь f 6 ).

Аккумуляторная батарея заряжается большим током до определенного со-стояния, отключается от источника постоянного тока и затем заряжается через нагрузку большим током в течение короткого времени. Состояние батареи . определяется конечным напряжением в процессе заряда, внутренним давлением или температурой батареи. Эти параметры связаны между собой и зависят от температуры окружающей среды.

Данное устройство требует определенных условий (например, температура окружающей среды), при которых производится заряд аккумуляторной батареи, для того, чтобы осуществить полный заряд и обеспечить сохранность аккумуляторов. Кроме того, наличие электромагнитных реле и большого количества элементов снижает надежность работы схемы.

86140

10 на зарядного тока перестанет достигать уровня 3 . При этом напряжение заряда останется на нижнем стабилизированном уровне и процесс переходит в фазу подзаряда низким стабилизированным напряжением. В этой фазе батарея может оставаться в подключенном состоянии продолжительное вре" мя.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит регулирующий транзистор 1, последовательно с ним включенный в зарядную цепь резистор 2, транзистор 3 и тразистор 4, резистор 5 и параллельно ему подключенную цепочку 6 из диода 7, зашунтированного конденсатором 8 и резистором 9, стоящие в цепи коллекто" ра транзистора 3, источник 10 опорного напряжения, подключенный параллельно источнику ll питания и содер-, жащий последовательно соединенные резисторы 12 и 13, стабилитрон 14 и кремниевый диод 15, диоды 16 и 17, связывающие источник 10 опорного напряжения с коллектором транзистора 1 и с цепочкой 6, диоды 18 и 19, связывающие эмиттер транзистора 4 с коллектором транзистора 1, цепочку 20, шунтирующую аккумуляторную батарею 21 и содержащую последовательно соединенные диод 22 и резистор 23, общая точка которых подключена к эмиттеру транзистора 4.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения от источника 11 питания, транзисторы 4, 3 и 1 открываются, и по зарядной цепи начинает протекать ток. Если акку« муляторная батарея разряжена, то зарядный ток ограничивается с помощью резистора 2 и диодов 18 и 19, через которые на эмиттер транзистора 4 поступает положительный потенциал.

Степень ограничения зарядного тока зависит от величины сопротивления резистора 2.

По мере заряда, напряжение на ак. кумуляторной батарее 21 повышается и достигает уровня О,г, обусловленноГо величиной опорного напряжения на базе транзистора 4, которое стабилиэировано с помощью стабилитрона 14 и кремниевого диода 15. Дальнейший заряд производится при постоянном уровне этого напряжения.

Во время заряда батареи постоянным напряжением. ток заряда снижается. Сни жение зарядного тока вызывается все большим запиранием транзисторов 4, 3 и 1, При запирании транзистора 3 положительное напряжение на его колS лекторе уменьшается и в некоторый момент времени, когда ток заряда снизится до уровня 3 = (0,5-0,7) „(1, этого напряжения становится недоста-. точно, чтобы полностью запереть германиевый диод 17, который начинает пропускать ток. Таким образом, кремниевый диод 15 с этого момента времени начинает шунтироваться германиевым диодом 17 и последовательно с ним включенным низкоомным резистором 9. Так как падение напряжения в прямом направлении у германиевого диода значительно ниже, чем у кремниевого, то при открывании германиzo

jeeora диода 17 напряжение на базе ! транзистора 4 уменьшается. Это при водит к еще большему запиранию транзистора 3 и открытию германиевого диода 17, т.е. процесс снижения наи пряжения на базе транзистора 4 происходит лавинообразно. На входе уст" ройства напряжение заряда устанавливается на более низком уровне О,Я Е.

Напряжение на аккумуляторной батарее не может мгновенно снизиться, поэтозо

;му в первый момент после переключе ния на нижний уровень напряжения заI

;ряда И транзисторы 4, 3 и 1 пол,носгью запираются, а через аккумуля торную батарею 21 протекает ток под» заряда, численно равный 1-2l от номинальной емкости, .по цепи: источник 11 питания, резистор 12, диод 16, резистор 2, аккумуляторная батарея

21. Затем напряжение на батарее 21 снижается до уровня 0 .

Если батарея не полностью заряжена, то транзисторы 4, 3 и 1 частично открываются, и по зарядной цепи начинает протекать ток. При открывании транзистора 3 на его коллекторе начинает вновь возрастать положительный потенциал, который через конденсатор 8 прикладывается к диоду 17 и частично его запирает. Это приведет

Ж к повышению напряжения на базе транзистора 4, к еще большему повышению тока и, в конечном итоге, к переходу на заряд при более высоком уровне напряжения. Затем ток заряда начинает

55 снижаться, снова произойдет открывание германиевого диода 17, и процесс повторяется. Таким образом, дозаряд аккумуляторной батареи произво886140

-го г5

Формула изобретения

55 дится изменяющимся по величине током, максимальное значение которого определяется верхним уровнем зарядного напряжения, а минимальное — нижним уровнем. Частота переключения с . верхнего уровня напряжения и наоборот, а также длительность работы на каждом из этих уровней зависит от степени заряженности аккумуляторной батареи. Так, в начальный период дозаряда, когда батарея заряжена не полностью, при заряде на верхнем уровне напряжения ток снижается медленно из-за медленного нарастания напряжения поляризации, и длительность заряда на верхнем уровне достаточно велика, а при переключении на нижний уровень напряжения ток заряда быстро возрастает, и длительность заряда на нижнем уровне мала. В конце заряда, когда батарея почти полностью заряжена, длительность заряда на верхнем уровне напряжения мала, а . на нижнем уровне велика. Такой режим доэаряда продолжается до тех пор, пока батарея полностью не эарядится и ток при нижнем уровне напряжения заряда не станет равным (О, 1-0,2) Q, не опасным для аккумуляторов. В этом случае переключение с нижнего уровня напряжения заряда на верхний прекращается, и устройство переходит на режим подзаряда при одном нижнем уровне напряжения.

Нижний уровень опорного напряжения можно регулировать в некоторых пределах с помощью резистора 13. При изменении сопротивления резистора 13 изменяется ток, протекающий через стабилитрон 14, германиевый диод 17 и резистор 9, а следовательно, будет изменяться напряжение, снимаемое с этих элементов. Величина тока 3g, при котором производится переключение,с верхнего уровня напряжения заряда на нижний, устанавливается с помощью резистора 5.

Диод 16 в схеме устройства выполняет несколько функций. Во-первых, исключает влияние колебаний напряжения источника 11 питания на источник

10 опорного напряжения и тем самым улучшает точность стабилизации. Вовторых, служит для защиты устройства при коротком замыкании в цепи нагрузки. В-третьих, через него осуществляется положительная обратная связь, когда устройство работает в режиме переключения с одного уровня зарядного напряжения на другой. Вчетвертых, совместно с резистором 12 образует шунтирующую транзистор 1 цепочку, через которую протекает дополнительный зарядный ток, благодаря которому прекращается колебательный процесс дозаряда, и устройство переходит в режим подзаряда.

Пример. Испытание герметичных батарей ЗНКГ-10Д шахтных головных светильников.

В начальный период осуществляют стабилизацию зарядного тока на уровне 4 А, далее заряд производят со стабилизацией напряжения,на верхнем уровне 4,65 В, а на нижнем 4,38 В.

Переход на режим релейного переключения производят при снижении тока до 3 А, а режим подзаряда устанавливают при токе 0,25 Л.

Заряд продолжают до тех пор, пока не прекратится режим релейного переключения, и не установится ток подзаряда, равный 0,15 А. Полное время заряда 6,0 ч. В режиме подзаряда ба-. тарея остается подключенной к зарядному устройству в течение 72,0 ч и не выходит из строя.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют сократить время заряда батарей в 2,3 раза, по сравнению с известными, при обеспечении полного заряда батарей. Срок службы аккумуляторных батарей увеличивается в 2 раза за счет исключения преждевременного выхода аккумуляторов иэ строя.

1. Способ заряда аккумуляторной батареи, включающий заряд постояннным током, последующий подзаряд при постоянном напряжении и дозаряд малым по величине током, о т л и ч à пшийся тем, что, с целью осуществления быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службы батареи, заряд постоянным током, численно равным 40-70"ь от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, производят до сообщения батарее 60-703 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при постоянном напряжении на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 перво8861 !

Известно также зарядное устройство, содержащее цепь постоянного тока для подачи первоначального неизменного зарядного тока к аккумуляторной батарее от источника переменного тока, два датчика напряжения на выводах батареи, вентиль, соединенный с датчиками напряжения и предназначенный для управления синхронным переключателем, включенным со стороны ис" точника переменного тока в цепь постоянного тока, управляющую цепь, соединенную с одним из датчиков напряжения, и времяэадающую цепь, соединенную с вентилем для управления длитель- >S, ностью каждого рабочего периода.

В первый период аккумуляторная батарея заряжается неизменным по величине постоянным током. Когда напряжение на выводах батареи достигнет on- 26 ределенного уровня начинается второй период заряда батареи прерывистым током. Длительность подачи зарядного тока определяется времязадающей.цепью, а длительность паузы между токовыми импульсами — вторым уровнем напряжения на выводах батареи, который ниже первого уровня (7 j.

Недостатком устройства является то, что длительность подачи импульса 30 зарядного тока зависит от времязадающей цепи и не зависит от физического состояния аккумуляторной батареи, что мажет привести к преждевременному выходу из строя, например, герметичных, аккумуляторов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к одному из зажимов неста- 4р билизированного источника питания постоянного тока, а коллектором — к положительному выводу батареи, второй транзистор, который связан с базой регулирующего транзистора и со вторым зажимом источника питания через сопротивление в эмиттерной цепи, две параллельные цепи, подключенные к выводам аккумуляторной батареи, из которых первая цепь формирует опорное напряжение на базе второго транзистора с помощью стабилитрона, а вторая цепь представляет собой делитель напряжения на резисторах, средняя точка которого связана с базой третьего транзистора. Коллектор третьего транзистора через резистор подключен к эмиттеру второго транзистора, а эмиттер через стабилитрон связан с

40 4 положительным выводом аккумуляторной батареи. Устройство осуществляет заряд аккумуляторной батареи при неизменном зарядном напряжении (о).

Недостатки известного устройства — невозможность осуществления быстрого и полного заряда аккумуляторной батареи без выхода из строя аккумуляторов (например, герметичных), так как устройство осуществляет один режим- заряда, а также отсутствие схемы ограничения тока в начальной стадии заряда, что может привести к сокращению срока службы аккумуляторов.

Цель изобретения — осуществление быстрого и полного заряда при одновременном увеличении срока службы батареи.

Поставленная цель достигается тем, что сначала батарею заряжают постоянным током, численно равным 40-703 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи, до сообщения ей

60-704 необходимой зарядной емкости, затем дополнительно проводят заряд при стабилизации напряжения на уровне, достигнутом к концу заряда постоянным током, до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряженя, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним — уровень, при котором ток подэаряда полностью заряженной батареи составляет 1-23 от номинальной емкости:, .причем, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, производят переключение на заряд при нижнем уровне напряжения, а если ток при нижнем уровне напряжения возрастет до 1-2Ф от номинальной емкости батареи, производят переключение на заряд при верхнем уровне напряжения, затем осуществляют по 1заряд малым по величине постоянным током.

В устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором — к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку, шунтирующую аккумуляторную батарею, и третий транзистор, дополнительно включен резистор между коллектором

8861ч регулирующего транзистора и положительным выводом батареи, источник опорного напряжения параллельно под.<лючен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных S двух резисторов, стабилитрона и кремниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шине, при этом общая точка резисторов связана через согласно включенный диод щ с коллектором регулирующего транзистора, а общая точка одного резистора и стабилитрона соединена с базой второго транзистора, цепочка, шунтирующая батарею, выполнена из со- 15 гласно подключенного к ее положительному выводу диода и резистора, общая .точка которых соединена с эмиттером второго транзистора и через.два последовательных диода — с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базе регулирующего транзистора, базой к коллектору второго транзистора,. а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирующую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтированного конденсатором, и резисто" ра, общая точка которых через встречно включенный германиевый диод связа на с общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного

ЗS напряжения.

На фиг. 1 представлены графики зависимости зарядного тока и напряжения от времени; на,фиг. 2 — предлагаемое устройство, схема.

Способ заключается в следующем.

Сначала заряд производится постоянным током 1 (фиг. 1), численно ,4 равным 40-703 от номинальной разрядной емкости аккумуляторной батареи.

g$

Такой ток не опасен для незаряженнои батареи, но в то же время примерно в ч-7 раз превышает величину, рекомендуемую для полного заряда батарей постоянным стабилизированным током.

Поэтому заряд батареи на данном на50 чальном этапе протекает ускоренно.

Однако его можно применять только до степени заряженности батареи, не npe" вышающей 60-70/ полной зарядной емкости батареи, так как в противном

5S случае возможно выделение газа. После достижения 60-703 необходимой заряд.ной емкости проводят заряд при стаО. 8 билизированном напряжении, достигнутом к концу заряда постоянным током.

Этот заряд продолжается до тех пор, пока ток не уменьшится до 0,5-0,7 своего первоначального значения.

Уменьшение величины тока на этом этапе предотвращает преждевременное начало газовыделения. Когда зарядный ток снизится до значения 3 = (0,50,7), дальнейший заряд производят при стабилизации нижнего уровня напряжения Ug,. гарантирующего отсутствие газовыделения и тем самым обеспечивающего сохранность аккумуляторов при длительном заряде. Нижний уровень напряжения 02 выбирается таким, чтобы ток заряда при этом напряжении численно составлял 1-23 от номинальной разрядной емкости батареи.

В момент переключения с верхнего уровня на нижний из-за наличия ЭДС поляризации зарядный ток падает почти до нуля, а затем начинает нарастать. Если он достигнет уровня 3 -=

t-23 от номинальной емкости, напряжение заряда вновь переключается на верхний уровень Ug. При этом зарядный ток увеличивается скачком, но под действием возрастающей ЭДС поляризации вновь снижается до тех пор, пока не достигнет уровня 32 Затем идет переключение на напряжение U<„ и процесс повторяется. Таким образом, производится дозаряд аккумуляторной батареи при релейном переключении двух уровней зарядного напряжения.

Длительность импульсов и пауз между ними в процессе дозаряда зависит от степени заряженности батареи. В первый момент перехода на релейный режим батарея еще не заряжена полностью, поэтому при переключении на более высокий уровень напряжения ЭДС поляризации нарастает медленно. Соответственно медленно снижается зарядный ток, и длительность импульса тока окажется большой. При переключении на заряд более низким напряже- . нием ЭДС поляризации спадает быстро и пауза между импульсами будет короткой. К концу заряда картина меняется. Нарастание ЭДС поляризации происходит быстро, а спадание — медлен- . но; Поэтому длительность импульса тока снановится малой, а паузы — большой.

Заряд в режиме релейного переключения прекратится тогда, когда при нижнем уровне напряжения 02 величи8861

2$ ю

3$ начального значения, а дозаряд осуществляют при релейном переключении двух уровней напряжения, верхним из которых является уровень, достигнутый к концу заряда постоянным током, а нижним — уровень, при котором ток подзаряда полностью заряженной батареи составляет 1-2 от номинальной емкости, причем, если зарядный ток при верхнем уровне напряжения уменьшится до 0,5-0,7 первоначального значения, производят перключение на заряд при нижнем уровне напряжения, а если ток при нижнем уровне напряжения возрастет до 1-23 от номинальной емкости батареи, производят переключение на заряд при верхнем уровне напряжения.

2. Устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к положительному выводу источника питания, а коллектором— к положительному выводу аккумуляторной батареи, второй транзистор, источник опорного напряжения, цепочку,шунтирующую аккумуляторную .батарею, и третий транзистор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, между коллектором регулирующего транзистора и положительным выводом батареи дополнительно включен резистор, источник. опорного напряжения параллельно подключен к источнику питания и выполнен из последовательно соединенных двух резисторов, стабилитрона и кремниевого диода, подключенного отрицательным выводом к минусовой шине, при этом общая точка резисторов связана через согласно включенный диод с коллектором регулирующего транзистора, а общая точка. одного резистора и стабилитрона соединена с базой второго

40 14 транзистора, цепочка, шунтирующая батарею, выполнена из согласно под-. ключенного к ее положительному вводу диода и резистора, общая точка которых соединена с эмиттером второго транзистора и через два последовательных диода — с коллектором регулирующего транзистора, третий транзистор подключен эмиттером к базе регулирующего транзистора, базой,— к коллектору второго транзистора, а коллектором связан с общей минусовой шиной источника питания и аккумуляторной батареи через дополнительно введенные резистор и шунтирую-. щую этот резистор цепочку из согласно включенного диода, зашунтирован-.. ного конденсатором, и резистора, общая точка которых через встречно включенный германиевый диод связана с общей точкой стабилитрона и кремниевого диода источника опорного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Франции Ю 2256552, кл. Н 01 М 10/44, 1975.

2. Патент СССР N 528047, кл. Н 01 И 10/44, 1974.

3. Заявка Франции к 2239772, кл. Н 01 M 10/44, l975.

4. Zehwilhelm. Das Laden чоп

Akkumulatoren-Batterien mit konstanter Spannung. "Е1е1ссгойесйп11. Z."..

1966, В. 18, N 20, 771-773.

5. Патент США N 3678363, кл. Н 02 J 7/10, 1972.

6. Патент Великобритании

У 1219324, кл. H 02 .J 7/10, 1971.

7 ° Патент США N 3944904, кл. Н 02 J 7/04, 1976.

8. Заявка Японии N 50-2252, кл, Н 02 J 7/04, 1975.