автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Ускоренный заряд герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов и зарядные устройства для них

На правах рукописи

Сушко Олег Викторович

УСКОРЕННЫЙ ЗАРЯД ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НИХ

05 17 03 - «Технология электрохимических процессов и защита от коррозии»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

<->«-« о ibb7 Ю

Новочеркасск 2008

003166710

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кудрявцев Юрий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Теньковцев Виталий Владимирович,

кандидат технических наук Бреславец Владимир Павлович

Ведущая организация ОАО «КОНЦЕРН«СОЗВЕЗДИЕ»»,

394018, г. Воронеж, ул. Плехановская, 14

Защита состоится -21

2008 года в "{£_" часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 212 304 05 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу. 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан "ZG " 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 304 05

Жукова И Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Данная работа посвящена разработке ускоренных режимов заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов Несмотря на возрастающую роль новых электрохимических систем, таких как никель-металлогидридные и литий-ионные батареи, никель-кадмиевые аккумуляторы, благодаря своим несомненным достоинствам, сохраняют свои позиции и, по-видимому, будут востребованы еще долгие годы Единственное ограничение, которое тормозит их применение в быту и прочей технике, связано с токсичностью кадмия Главной областью их применения остается военная техника Это связано с тем, что в армии гораздо проще обеспечить утилизацию отработанных аккумуляторов, чем в быту Ускоренный заряд очень важен для военных задач Известно много работ, которые были выполнены в этом направлении Однако вопрос о коротких режимах заряда без предварительного доразряда герметичных аккумуляторов мало изучен Существует мнение, что ускоренные режимы вообще не применимы для герметичных аккумуляторов, поскольку для них опасен перезаряд Кроме того, для герметичных аккумуляторов очень важен баланс активных масс, который тесно связан с режимами заряда и разряда Как известно, время заряда аккумуляторных батарей стандартными и ускоренными режимами на постоянном токе складывается из времени предварительного доразряда (в соответствии с техническими условиями) и последующего заряда Существенно сократить время можно, исключив предварительный доразряд и увеличив плотность зарядного тока В первом случае через определенное количество циклов это приведет к потере емкости батареи, начинает проявляться эффект, который в литературе называется эффектом "памяти", возникающий при систематическом недоразряде батарей Он состоит в том, что накапливается некоторая емкость, которая теряет способность в дальнейшем отдавать заряд Во втором случае (при увеличении плотности тока) приведет к уменьшению коэффициента отдачи по емкости.

Все существующие режимы ориентированы на режимы заряда постоянным током, но хорошо известно, что переменнотоковые режимы позволяют сократить время заряда без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик батарей Поэтому, на сегодняшний день одним из наиболее перспективных методов заряда является асимметричный ток

Широкое внедрение данных режимов тормозится отсутствием развитой теории нестационарного электролиза, сложностью устройств, реализующих эти режимы, а также промышленных испытаний ускоренных режимов заряда С появлением современной элементной базы стало возможным создание компактных и приемлемых по цене зарядных устройств, где весь алгоритм управления возложен на микроконтроллер, входящий в состав изделия. Все это говорит о том, что детальное изучение и внедрение ускоренных режимов заряда на асимметричном токе позволит снизить непроизводительные простои электрооборудования и электротранспорта, сократить обменный фонд аккумуляторных батарей и уменьшить эксплуатационные расходы по их обслуживанию.

Цель диссертационной работы: поиск режимов ускоренного заряда с применением асимметричного тока, а также разработка зарядного устройства на основе найденных оптимальных режимов

Задачи исследования:

- сравнить распределение тока на физической модели сборного электрода при заряде как постоянным, так и асимметричным током, и определить оптимальный режим заряда,

- изучить возможность применения асимметричного тока для стабилизации характеристик герметичных никель-кадмиевых батарей при циклировании на верхнем уровне заряженности и определить оптимальные параметры асимметричного тока, позволяющие заряжать герметичные никель-кадмиевые батареи без потери емкости при циклировании без предварительного доразряда в течение длительного времени,

- изучить состав выделившегося газа при заряде аккумулятора асимметричным током с целью исключения разбаланса активных масс, возникающих из-за ускоренных режимов заряда,

- найти простое схемное решение, позволяющее снизить стоимость зарядного устройства

Научная новизна

1 Исследованы ускоренные режимы заряда асимметричным током, позволяющие по сравнению с известными сократить время заряда до 1,3-1,5 ч и избежать пассивацию электродов

2 Установлено, что заряд асимметричным током с двумя катодными импульсами и паузой между ними способствует более равномерному распределению тока по глубине пористого электрода, по сравнению с асимметричным током с одним катодным импульсом и постоянным током

3 Разработан оптимальный режим ведения заряда с двумя катодными импульсами и паузой между ними, позволяющий повысить плотность зарядного тока на 13 % и сократить время заряда с 1,5-2 ч до 1,3-1,5 ч для исследуемых типов батарей, по сравнению с существующими режимами

4 Разработан оптимальный режим ускоренного заряда, позволяющий заряжать герметичные никель-кадмиевые батареи за 2-2,5 ч без предварительного доразряда (буферный, аварийный режим), по сравнению с существующими режимами

5 Установлено влияние параметров асимметричного тока при заряде аккумуляторов, которые улучшают распределение тока, приводят к микроцикли-рованию активной массы и не допускают пассивации электродов (рост кристаллов кадмиевого электрода) при работе в буферном режиме

б. Установлено, что потеря емкости аккумулятора при циклировании без предварительного доразряда (буферный, аварийный режим) связана в большей степени с отрицательным электродом, т к происходит укрупнение кристаллов кадмия

7 Установлено, что при циклировании на постоянном токе в буферном режиме происходит пассивация кадмиевого электрода и наступает выделение водорода, чгго приводит к выходу аккумулятора из строя, при циклировании

асимметричным током пассивация электродов и выделения водорода не происходит

Практическая ценность работы

Разработан способ ускоренного заряда асимметричным током никель-кадмиевых батарей средств связи типа НКГЦ Заряд осуществляется в интервале 1,3 - 1,5 ч при отключении длительности заряда по конечному напряжению или изменению знака первой производной по напряжению

Разработан способ ускоренного заряда, позволяющий заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы эксплуатировавшиеся длительное время без предварительного доразряда за время 2 - 2,5 ч без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик (на способ заряда получен патент № 2284077)

Разработано и внедрено на заводе ОАО"Электроавтоматика" (г Ставрополь) устройство (получено положительное решение о выдаче патента на изобретение №2006130194/09), предназначенное для ускоренного заряда асимметричным током аккумуляторных батарей Данное зарядное устройство эксплуатируется в составе изделия СЭС-ПТК (Система электроснабжения для программно-технических комплексов) Зарядное устройство обеспечивает в разработанном нами режиме ускоренный заряд асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей Акты внедрения режимов и зарядного устройства приведены в приложении к диссертационной работе

Публикации Результаты диссертационной работы отражены в патенте, положительном решении о выдаче патента и 3-х научных статьях

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений Текст диссертации изложен на 155 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 22 таблицы и 3 приложения Список литературы включает 101 наименование

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Литературный обзор является первой главой диссертационной работы и состоит из шести разделов, в которых рассматривается современное состояние вопроса по исследованию нестационарных процессов Это, прежде всего изучение распределения тока по глубине пористого электрода, ускоренный заряд асимметричным гоком, потеря емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при циклировании с малой глубиной разряда, анализ существующих зарядных устройств, реализующих переменнотоковые режимы

Из обзора работ следует, что на сегодняшний день отсутствуют способы заряда, позволяющие заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного доразряда с сохранением номинальной емкости в течение длительного времени Такое состояние дел обуславливается сложностью и длительностью проведения испытаний и поисков новых режимов заряда В ряде работ (работы проведенные во ВЭлНИИ г Новочеркасск) по ускоренным режимам заряда отмечается, что найденный режим заряда асимметричным током

позволяет наряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного доразряда Но в данных работах разряд батареи довольно часю осуществлялся до конечного напряжения 1 В/элемент, и глубина разряда при циклировании была достаточно высокая При данном режиме работы потери емкости, из-за так называемого эффекта "памяти" не происходи г

Не ясно также, можно ли сократить с применением асимметричного тока время заряда для исследуемых типов батарей (10НКГЦ-3,5-2) по сравнению с существующими режимами до величины менее 1,5-2 ч без уменьшения коэффициента отдачи по емкости

В первом разделе проведен обзор и сделан анализ современного состояния и перспектив развития современных батарей По данной тематике выполнена НИР на основании договора № 29/07-06/504, в частности рассмотрено состояние аккумуляторов для средств связи в ВС РФ (вооруженных сил Российской федерации)

Во втором разделе рассмотрены проблемы, возникающие при циклировании герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, эксплуатирующихся без предварительного доразряда (возникновение "эффекта памяти")

В третьем разделе приведен обзор существующих методов заряда асимметричным током, и показана значимость параметров переменного тока частоты, скважности, длительностей и амплитуд зарядных и разрядных импульсов на коэффициент отдачи по емкости

В четвертом разделе показана важность исследований по изучению распределения тока по глубине пористого электрода, рассматривается влияние переменного тока на распределения заряда по глубине пористого электрода

В пятом разделе дан анализ устройств, позволяющих формировать асимметричный ток, рассмотрены зарядные устройства, состоящие на вооружении в ВС РФ, и сделаны выводы по их использованию

В шестом разделе выполнен анализ результатов рассмотренных работ по теме диссертации и сформулированы цели и задачи исследования

Во второй главе описана методика исследований и применяемая аппаратура Для изучения возможности повышения среднего зарздного тока без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик, изучали распределение тока по глубине пористого электрода Для исследования распределения тока по глубине пористого электрода использовали параллельную электрическую схему физической модели и использовали кулонометрический анализ Физической модели сообщали определенное количество электричества, а потом каждый электрод разряжали, определяли его фактическую емкость и строили кривые распределения емкости по электродам модели Таким образом судили о распределении тока при выбранных режимах заряда. На следующем этапе эти параметры уточняли по газовому анализу (газоанализатор КГА2-1) По объему выделившегося газа при заряде на различных режимах судили о том, какая часть тока идет на преобразования активной массы, а какая на побочные процессы Определив оптимальный режим заряда, проводили сравнение найденных режимов и существующих для увеличения среднего зарядного тока без уменьшения коэффициента отдачи по емкости.

Для изз^чения процессов, происходящих при заряде герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при эксплуатации без предварительного дораз-ряда ("эффект памяти") использовали

- газовый анализ,

- измерение импеданса,

- циклирование на различную глубину разряда, как на постоянном, так и на переменном токе,

- определяли динамику изменения зарядно-разрядных кривых,

- изучали влияние параметров асимметричного тока на коэффициент отдачи по емкости при циклировании без предварительного доразряда

Для анализа данных применяли стандартные методики обработки Известно что заряд асимметричным током с большим по величине катодным импульсом может привести к разрушению основы аккумулятора Поэтому при испытаниях аккумуляторов на исследуемых режимах определяли состав выделившегося газа О разрушении электродов под действием переменного тока судили по появлению водорода в составе газа Появление водорода говорит о том, что происходит разбаланс активной массы и электроды (или электрод) разрушаются

Третья глава состоит из четырех разделов и посвящена изучению распределения тока по глубине пористого электрода По заданию заказчика была поставлена задача сократить время заряда для исследуемых типов батарей по сравнению с существующими режимами заряда (1,5-2 ч) без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик Известны такие работы, где предположено, что несколько катодных импульсов и паузы между ними положительно действуют на заряд аккумуляторов Но объяснениям этому не было дано Поэтому была выдвинута идея в катодный полупериод формировать два импульса, где имеется паз'за между ними

В данной главе изучали параметры режимов, позволяющие добиться оптимального распределения заряда по глубине пористого электрода по сравнению с существующими режимами заряда Добившись более равномерного распределения тока по глубине пористого электрода, можно повысить плотность зарядного тока без уменьшения коэффициента отдачи по емкости и тем самым сократить время заряда

Первый раздел посвящен выбору модели для изучения распределения тока по глубине пористого электрода Приведена параллельно-последовательная и параллельная схема замещения поры Показана возможность перехода от схемы замещения параллельно-последовательной схемы к параллельной из соображения простоты расчетов Исследования проводили на физической модели, построенной по принципу параллельной электрической схемы замещения

Второй раздел посвящен кулонометрическим измерениям Приведены данные, полученные при изучении распределения тока на модели оксидно-никелевого электрода Во всех исследуемых режимах, как на постоянном, так и на переменном токе среднее значение зарядного тока было одинаковое Изменению подвергали число катодных импульсов, амплитуду, длительность

катодных импульсов и длительности пауз между анодными и катодными импульсами.

В результате проведённых исследований установлено, что асимметричный ток с двумя, тремя и четырьмя разрядными импульсами способствует более равномерному распределению тока по глубине электрода, чем постоянный ток и асимметричный с одним разрядным импульсом. Так же установлено, что разницы между режимами с двумя тремя и четырьмя катодными импульсами практически нет, поэтому дальнейшие исследования проводили с двумя катодными импульсами. При исследовании влияния амплитуд и длительностей катодных импульсов установлено, что с уменьшением амплитуд катодных импульсов и соответственно увеличения их длительностей для поддержания среднего зарядного тока коэффициент распределения тока ухудшается. Исследование влияния длительностей пауз между катодными и анодными импульсами показало, что с увеличением длительности пауз коэффициент распределения тока улучшается, но происходит это до определенного соотношения, выше которого коэффициент распределения начинает падать.

Полученные данные позволили определить оптимальное число и длительности катодных импульсов, а также оптимальные длительности пауз между анодными и катодными импульсами по сравнению с существующими режимами заряда на асимметричном токе с одним разрядным импульсом.

На рисунке 1 показаны данные по распределению ёмкости по электродам модели, полученные при заряде на постоянном токе, режиме на асимметричном токе с одним катодным импульсом (Режим-1) и найденным нами оптимальным режиме заряда с двумя: катодными импульсами (Режим-2). Из данных видно что, наилучшее распределение соответствует режиму 2 (Режим-2).

Режимы :заряда

Рис. 1. Распределения емкости по электродам модели на постоянном токе -(пост.ток), асимметричным с одним катодным импульсом - (Режим-]) и на найденном оптимальном режиме с двумя катодными импульсами (Реж:им-2)

В третьем разделе описаны результаты, полученные при изучении газовыделения Результаты измерений объема выделившегося газа для аккумулятора НКГЦ-3,5-2 при заряде постоянным током, асимметричным током с одним катодным импульсом (Режим-1), асимметричным током с двумя катодными импульсами (Режим-2), показаны в таблице 1

Таблица 1

Влияние режимов заряда на объем выделившегося газа при заряде акку-

мулятора НКГЦ-3,5-2

Режимы

Пост ток Режим-1 Режим-2

V, мл V, мл V, мл

26,8 10,87 7,65

Из данных таблицы 1 видно, что при одном и том же среднем токе заряда и количестве пропущенного электричества минимальное количество газа выделяется при заряде режимом (Режим-2), то есть при заряде большая часть количества электричества идет на преобразование активной массы и, соответственно, меньшая на побочные процессы (газовыделение), что также подтверждают данные, по ¡ученные при изучении по распределению тока на физической модели

Четвертый раздел посвящен изучению возможности повышения плотности среднего зарядного тока для исследуемых типов батарей на найденном оптимальном режиме заряда с двумя катодными импульсами без уменьшения коэффициента отдачи по емкости

Добившись более равномерного распределения тока по глубине пористого электрода можно, повысить плотность зарядного тока на найденном режиме по сравнению с существующими без уменьшения коэффициента отдачи по емкости, тем самым сократить время заряда для исследуемых типов батарей (табл 2)

Таблица 2

Оптимальныг значения зарядных токов при различных режимах заряда, где 1з — ток заряда, 1з - время заряда, (?з - полученная емкость, С?отд - отданная емкость, т| - коэффициент использования активной массы___

Режимы заряда (з, А Ь, ч (Зз, А«ч (}отд, А«ч Т1,%

Пост ток 1,75 2 3,5 3,4 97

Режим-1 2,33 1,5 3,4 97

Режим-2 2,69 1,3 3,4 97

При заряде режимом (Режим-1) максимально увеличить средний ток заряда возможно до величины 2,33 А, а режимом (Режим-2) до величины 2,69 А, при этом время заряда в первом случае можно сократить на 0,5 ч, а во втором случае на 0,7 ч При увеличении среднего зарядного тока выше значений при-

веденных в таблице 2, коэффициент отдачи по ёмкости уменьшается. Таким образом, удалось найти оптимальные параметры асимметричного тока для исследуемых типов батарей, что позволило сократить время заряда.

Рассмотрено влияние найденных ускоренных режимов заряда асимметричным током на долговечность батарей. Результаты испытаний показали, что для аккумуляторных батарей 10НКГЦ минимальная наработка в режиме цик-лирования превосходит данную в ТУ в 1,5-2 раза.

В процессе циклирования на асимметричном токе изучали объём и состав выделившегося газа. С помощью газоанализатора КГА2-1 было установлено, что водород в системе не накапливается, а это означает, что разбаланса активной массы на найденных оптимальных режимах заряда не происходит, т.е. электроды не разрушаются.

Четвёртая глава состоит из четырёх разделов и посвящена поиску оптимальных режимов заряда, позволяющих заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы типа НКГЦ-3,5-2 без предварительного доразряда (аварийный режим).

Первый раздел посвящен исследованию изменения характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при различной глубине циклирования на постоянном токе. На рисунке 2 показаны данные, полученные при различной глубине циклирования.

Глубина раэрвда, Ъ

Рис. 2. Ёмкость, отданная батареей НКГЦ-3,5-2 на 1 и 80 цикле при цик-лировании постоянным током с разной глубиной разряда

Из рисунка 2 видно, что стабильность характеристик аккумуляторов сохраняется на достаточно высоком уровне только при циклировании на полную глубину. Во всех остальных случаях наблюдается снижение разрядной ёмкости.

На рисунке 3 и 4 приведены графики, отражающие динамику изменения зарядно-разрядных кривых батареи 10НКГЦ-3,5-2 при циклировании на постоянном токе с глубиной разряда 30% от номинальной ёмкости. Из графиков видно, что длительное циклирование батарей при таком режиме приводит к значительным изменениям их зарядно-разрядных характеристик. Видно, что в ре-

зультате циклирования зарядные кривые идут с большим перенапряжением и сдвигаются ближе к началу координат. Отключение заряда происходит по конечному напряжению все раньше. Из этого следует, что батарея недополучает емкость при заряде из-за того, что происходит ограничение длительности заряда по напряжению. Основной причиной ограничения длительности заряда является крутой подъем напряжения в конце заряда при длительном циклировании без предварительного доразряда, и увеличение среднего зарядного напряжения. Из рисунка 4 видно, что разрядная кривая напряжения с увеличением количества циклов сдвигается вниз, то есть разряд проходит при пониженном напряжении, а отданная ёмкость уменьшается.

' ■ д. а»Ч

Рис. 3. Зарядные характеристики аккумулятора ЮНКГЦ-3,5-2 при циклировании на постоянном токе с глубиной разряда 30 % от номинальной ёмкости батареи, при ограничении длительности заряда по напряжению 1,55 В/элемент

Для установления основной причины, ведущей к изменению характеристик аккумуля торов, оценивали изменение потенциалов электродов при циклировании макета герметичного аккумулятора, конструкция которого позволяла контролировать потенциалы электродов в ходе циклирования. В ходе исследований было установлено, что изменение зарядных характеристик аккумулятора определяется в основном увеличением поляризации отрицательного электрода в ходе зарядного процесса. При проведении первого полного разряда после длительного циклирования с малым коэффициентом использования ёмкости наблюдается увеличение поляризации кадмиевого электрода, а также смещение потенциала положительного электрода в с торону отрицательных значений.

Соответственно, одной из причин, ведущих к ограничению ёмкости, отдаваемой на первом разряде после неглубокого циклирования, является деградация кадмиевого электрода.

Р. А«ч

Рис. 4. Разрядные характеристики аккумулятора ЮНКГЦ-3,5 при циклировании на постоянном токе с глубиной разряда 30 % от номинальной ёмкости батареи

Во втором и третьем разделах приведены результаты исследований, полученные при циклировании на верхнем уровне заряженно сти асимметричным током. Определены оптимальные параметры режима заряда. Первоначально, при циклировании использовали двухчасовой режим заряда асимметричным током с параметрами, найденными при изучении распределения тока на физической модели при отношении амплитуд катодного импульса к анодному равном трём. Результаты исследований показали, что данный режим имеет преимущества перед постоянным током, но все же, не обеспечивает требуемых результатов. Поэтому необходим был поиск оптимальных режимов заряда. Поиск оптимальных режимов заряда проводили, варьируя параметры асимметричного тока.

В результате проведенных исследований был выбран оптимальный режим заряда асимметричным током, при отношении амплитуд катодного импульса к анодному равном пяти. Эксплуатация аккумуляторов с малой глубиной разряда на найденном нами режиме, не приводит к снижению ёмкости батарей ниже допустимых значений, указанных в ТУ на данную батарею.

Результаты электронной микроскопии рисунок 5 разряженных отрицательных электродов из аккумуляторов НКГЦ-3,5-2 после 690 циклов (глубина разряда 30 % от С)ном) показали, что активная масса аккумулятора циклировав-шегося на постоянном токе имеет крупные кристаллы, в отличие от аккумулятора, циклировавшегося на асимметричном токе, где размеры кристаллов меньше. Из полученных данных можно сделать вывод, что при циклировании на постоянном токе без предварительного доразряда, мельчайшие кристаллы сливаются в более крупные и соответственно площадь истинной поверхности уменьшается. Это, по-видимому, приводит к перенапряжению при заряде и соответственно раннему отключению по напряжению'. При циклировании на асимметричном токе (на найденном оптимальном режиме заряда) данное явление не происходит.

Рис. 5. Микрофотографии активной массы кадмиевых электродов после испытаний: а - асимметричный ток; б - постоянный ток (увеличение 2800)

На рисунке 6 представлены сравнительные данные, полученные при циклировании с глубиной разряда 30 % от номинальной ёмкости на постоянном токе, режимом, на асимметричном токе описанным в литературе и на найденном нами оптимальном режиме заряда.

Режимы заряда

Рис. 6. Сравнительные данные по отданной ёмкости на 1 и 150 цикле, полученные при циклировании с глубиной разряда 30 % от номинальной ёмкости на постоянном токе -?}, режимом, на асимметричном токе, заимствованным из литературе - Р2, и на найденным оптимальным режимом заряда - РЗ

Применение режима (РЗ) не приводит к существенному изменению за-рядно-разрядных кривых, а емкость, отданная батареей на последующих полных циклах заряд-разряда не ниже допустимых значений указанных в ТУ при циклировании с небольшой глубиной разряда в течение длительного времени, в отличие от заряда постоянным током и режимами асимметричного тока, заявленными в литературе. Таким образом, при заряде асимметричным током не

только распределение, но и микроциклирование активной массы играет огромную роль, именно это обстоятельство большинство предыдущих работ не учитывало

В процессе цитирования на асимметричном токе туч ал и состав выделившегося газа С помощью газоанализатора КГА2-1 было установлено, что водород в системе не накапливается, а это означает, что разбаланс активной массы на найденных оптимальных режимах заряда не происходит, т е разрушение электродов не происходит

В пятой главе рассматривается система электроснабжения для программно-технических комплексов (СЭС-ПТК), где и внедрено зарядное устройство для разработанных нами режимов

Приведена принципиальная схема СЭС-ПТК, рассмотрен принцип ее работы Рассмотрено зарядное устройство с питанием от сети постоянного тока на базе высокочастотных преобразователей.

Применение разработанных режимов и технических решений с авторским приоритетом позволило на современной элементной базе создать устройство ускоренного заряда, осуществляющее свои функции в составе изделия СЭС-ПТК Данное задание было выполнено по техническому заданию на составную часть опытно-конструкторских работы "Разработка системы электроснабжения для унифицированных программно-техническою комплектов ПТК-П-ПУ, ПТК-П Шифр «Созвезде-М-ЭА», утвержденное Начальником ГШ ВС РФ от 12 11 2001 г На заводе ОАО "Электроавтоматика", г Ставрополь была выпущена и поставлена заказчику опытно-промышленная партия изделий СЭС-ПТК, в которые входит зарядное устройство для ускоренного заряда, позволяющее заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного доразряда до конечного напряжения

ВЫВОДЫ

1 Установлено, что асимметричный ток с двумя разрядными импульсами, следующими друг за другом через паузу, способствуют более равномерному распределению тока по глубине пористого электрода, чем асимметричный ток с одним разрядным импульсом и постоянный ток, при равных средних значениях зарядного тока Это дает возможность увеличить средний ток заряда на найденном режиме и тем самым сократить время заряда по сравнению с существующими режимами без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик батарей

2 Определены параметры оптимального режима заряда асимметричным током для исследуемых герметичных никель-кадмиевых батарей типа (НКГЦ), позволяющие заряжать батареи за 1,2-1,5 часа вместо существующих 1,5-2 часов

3 Найдены параметры асимметричного тока, позволяющие заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы эксплуатирующиеся без предварительного доразряда в течение длительного времени Разработанный режим позволяет заряжать батареи за 2-2,5 ч, эксплуатирующиеся в буферном или

аварийном режиме без потери емкости (при заряде на данном режиме не проявляется так называемый эффект "памяти").

4 Установлено, что на найденных режимах заряда асимметричным током разбаланс активной массы не происходит, следовательно, найденные режимы заряда не приводят к разрушению основы электродов аккумулятора.

5 Разработано и внедрено зарядное устройство с авторским приоритетом, входящее в состав изделия СЭС-ПТК, позволяющее заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи без предварительного доразряда и ухудшения технико-эксплуатационных характеристик батарей

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ:

1 Сушко О В , Демьян В В. Исследование распределения тока на модели сборного электрода // Изв вузов. Сев -Кавк регион Техн. науки - 2007. -Прил №5 -С 46-47.

2 Сушко О В Влияние асимметричного тока на отдаваемую ёмкость герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов / ВВ. Демьян, Ю Д Кудрявцев, В А Кивва // Изв вузов Сев -Кавк регион Техн. науки. -2006 — Прил №3 -С 65-69.

3 Пат. 2284077 Российская Федерация, МПК Н 02 I 7/02 Способ ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей Кудрявцев ЮД., Сушко О.В, Таргонский ИЛ. -№ 2005112396/09, заявл 25 04 05, опубл 20.09 06, приоритет 25 04 05.

4. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006130194/09(032817) Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током/ Кудрявцев Ю Д, Демьян В В., Сушко О В , Зотов В В , Таргонский И.Л, приоритет 21.08 06

5 Сушко О В Заряд литий-ионного аккумулятора переменным асимметричным током ! В В Демьян, Ю Д Кудрявцев // Изв вузов Сев.-Кавк регион Техн. науки -2006 - Прил №3 -С. 61-65

Сушко Олег Викторович

УСКОРЕННЫЙ ЗАРЯД ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НИХ

Подписано в печать 24 03 2007 Формат 60x84'/16 Бумага офсетная Ризо1рафия Уел печ л 1,0 Уч-изд л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 253

Типография ЮРГТУ(НПИ) 346428, г Новочеркасск, ул Просвещения, 132 Тел, факс (863-52) 5-53-03

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИЗУЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ современного состояния развития аккумуляторных батарей и перспектив их развития.

1.2 Эксплуатация аккумуляторов в буферном, аварийном режиме, эффект "памяти".

1.3 Методы ускоренного заряда никель- кадмиевых аккумуляторов.

1.4 Распределение тока по глубине электрода.

1.5 Зарядные устройства, обеспечивающие ускоренный заряд асимметричным током.

1.6 Задачи исследования.

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Описание схемы физической модели для изучения распределения тока на оксидно-никелевых электродах.

2.2 Определение предварительных режимов заряда асимметричным током для изучения распределения тока на физической модели.

2.3 Расчет параметров при циклировании постоянным током.

2.4 Расчет параметров при циклировании асимметричным током.

2.5 Определение объёма и состава выделившегося газа.

2.6 Исследование объёма выделившегося газа при изучении распределения тока на физической модели.

2.7 Экспресс-метод определения состава газа.

2.8 Метод измерения электрохимического импеданса.

2.9 Моделирование процессов, происходящих в химических источниках тока.

2.10 Зарядно-разрядные кривые при циклировании аккумуляторов.

2.11 Методика циклирования батарей без предварительного доразряда до конечного напряжения постоянным током на различную глубину разряда.

2.12 Исследование объёма и состава выделившегося газа в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах.

2.13 Методика циклирования батарей без предварительного доразряда до конечного напряжения переменным током на различную глубину разряда.

2.14 Обработка результатов эксперимента.

3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОКСИДНО-НИКЕЛЕВОМ ЭЛЕКТРОДЕ.

3.1 Выбор модели для изучения распределения тока по глубине пористого электрода.

3.2 Кулонометрические измерения.

3.3 Газовый анализ.

3.4 Исследование возможности повышения среднего зарядного тока.

В настоящее время химические источники тока используются почти во всех областях техники и народного хозяйства. Данная, работа посвящена разработке ускоренных режимов заряда герметичных никель-кадмиевых батарей. Хотя исследовательские работы по улучшению характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов во всех ведущих аккумуляторных компаниях мира практически прекращены, тем не менее, никель-кадмиевые аккумуляторы, благодаря несомненным достоинствам (относительно более низкая стоимость, больший диапазон рабочих температур, отработанность решения), сохраняют свои позиции. На сегодняшний день на вооружении в войсках средств связи ВС РФ находятся, в основном, никель-кадмиевые батареи.

Существующие режимы заряда постоянным током герметичных никель-кадмиевых батарей не устраивают пользователей, так как время заряда стандартными режимами складывается из времени предварительного разряда (в соответствии с ТУ на батарею) и времени заряда номинальным режимом 13-И 6 ч (в зависимости от типа батарей), при котором гарантируются технико-эксплуатационные характеристики. Для многих герметичных никель-кадмиевых батарей по ТУ приводятся короткие трехчасовые и сверхкороткие одночасовые режимы заряда постоянным током со снижением отдаваемой ёмкости до 0,9СНоч и 0,8Сном соответственно, но, так же как и при заряде, нормальным режимом, их предварительно необходимо разрядить до напряжения, указанного в ТУ. Если при эксплуатации герметичных никель-кадмиевых батарей не проводить предварительный доразряд, то через определенное время эксплуатации начнёт уменьшаться ёмкость аккумулятора, а еще через некоторое время он выйдет из строя.

Одним из путей решения задач в области ускоренного заряда является разработка режимов заряда переменным током. Причиной, ограничивающей их широкое применение, является сложность устройств и высокая стоимость изделия, а так же необходимость проведения промышленных испытаний новых режимов асимметричным током. Но, с появлением новой элементной базы, стало возможным создание экономичных, приемлемых по цене для массового потребителя устройств ускоренного заряда асимметричным током.

Всё это говорит о том, что1 разработка ускоренных режимов асимметричным током и зарядных устройств является актуальной.

Целью настоящей работы является поиск режимов ускоренного заряда, сокращающих время заряда и позволяющих заряжать батареи без предварительного доразряда, а так же разработка зарядного устройства на основе найденных оптимальных режимов.

Научная новизна

1. Установлено влияние параметров асимметричного тока: .числа катодных импульсов, их амплитуд и длительностей, длительностей пауз между катодными и анодными импульсами на процесс ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. Полученные результаты позволяют найти оптимальный режим заряда на асимметричном токе, позволяющий улучшить распределение тока по глубине пористого электрода в сравнении с существующими режимами, описанными в литературе для исследуемых типов батарей, и, тем самым, повысить плотность зарядного тока, сократить время заряда.

2. Получен фактический материал, касающийся влияния параметров асимметричного тока на процесс заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, эксплуатирующихся без предварительного доразряда (буферный, аварийным режим). На основании полученных данных разработан режим1 ускоренного заряда;, отличающийся от известных тем, что позволяет заряжать герметичные никель-кадмиевые батареи, эксплуатировавшиеся без предварительного доразряда в течение длительного времени, без ухудшения эксплуатационных характеристик.

3. Накоплен экспериментальный материал по газовому анализу герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, эксплуатировавшихся без предварительного доразряда. В результате анализа данных установлено, что заряд асимметричным током на найденных режимах заряда не приводит к разрушению электродов аккумулятора.

4. Получены микрофотографии образцов кадмиевого электрода, циклировавшихся на постоянном и асимметричном токе без предварительного доразряда и установлено, что при циклировании на переменном токе не происходит укрупнение кристаллов кадмиевого электрода.

Техническая новизна

Разработано устройство с авторским приоритетом, реализующее автоматизированный ускоренный заряд асимметричным током, герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей без ухудшения их технико-эксплуатационных характеристик (положительное решение о выдаче патента № 2006130194).

Практическая ценность

Разработан способ ускоренного заряда для никель-кадмиевых батарей средств связи типа НКГЦ. Заряд осуществляется в интервале 1,3 -И ,5 ч при отключении длительности заряда по конечному напряжению или изменению знака первой производной по напряжению. На способ заряда получен патент № 2284077.

Разработан способ ускоренного заряда, позволяющий заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы, эксплуатировавшиеся длительное время без предварительного доразряда за время 2-^-2,5 ч без потери ёмкости.

Разработано и внедрено устройство (получено положительное решение о выдаче патента на изобретение №2006130194/09), предназначенное для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током. Данное зарядное устройство эксплуатируется в составе изделия СЭС-ПТК (Система электроснабжения для программно-технических комплексов). Зарядное устройство обеспечивает ускоренный заряд асимметричным током (разработанный нами для заряда без предварительного доразряда в течение длительного времени) двух герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, соединенных последовательно друг с другом. В случае исчезновения входного питающего напряжения это же устройство обеспечивает бесперебойность питающего напряжения. Данное зарядное устройство в составе изделия (СЭС-ПТК) успешно прошло квалифицированные испытания.

Данная работа явилась продолжением работ, проводимых в ЮРГТУ (НПИ) в лаборатории нестационарного электролиза под руководством д.т.н., профессора Кукоза Фёдора Ивановича и д.т.н., профессора Кудрявцева Юрия Дмитриевича. Работа выполнена по заданию завода ОАО "Электроавтоматика" на кафедре ХТВМСОФКХ.

Хочу выразить благодарность за ценное руководство и советы к.х.н. доценту Демьяну В.В., за поддержку и понимание генеральному директору ОАО "Электроавтоматика (г. Ставрополь) Ю.Д. Мишину, главному инженеру B.C. Сидорову.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что асимметричный ток с несколькими разрядными импульсами, следующими друг за другом через паузу, способствуют более равномерному распределению тока по глубине пористого электрода, чем асимметричный ток с одним разрядным импульсом, а также постоянный ток, при равных средних значениях зарядного тока. Это дало возможность увеличить средний ток заряда на найденном режиме, и тем самым, сократить время заряда по сравнению с существующими режимами без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик батарей.

2. Определены параметры оптимального режима заряда асимметричным током для исследуемых герметичных никель-кадмиевых батарей типа (НКГЦ). Это позволило заряжать батареи за 1,3-1,5 часа вместо существующих 1,5-2 часов (на способ заряда получен патент №2284077).

3. Найдены параметры асимметричного тока, позволяющие заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного доразряда (буферный и аварийный режимы). Разработанный режим позволяет заряжать батареи, эксплуатирующиеся в буферном или аварийном режиме без потери емкости.

4. Установлено, что при найденных режимах заряда асимметричным током разбаланса активной массы не происходит. Найденные режимы заряда не приводят к разрушению электродов аккумулятора.

5. Разработано устройство, на которое получено положительное решение о выдаче патента №2006130194 от 21.08.2006 г, предназначенное для ускоренного заряда асимметричным током аккумуляторных батарей. Данное зарядное устройство эксплуатируется в составе изделия СЭС-ПТК (система электроснабжения для программно-технических комплексов). Зарядное устройство обеспечивает ускоренный заряд асимметричным током (без предварительного доразряда) двух герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, соединенных последовательно друг с другом. В случае пропадания внешнего питающего напряжения это же устройство обеспечивает бесперебойность питающего напряжения. Данное зарядное устройство в составе изделия (СЭС-ПТК) успешно прошло квалифицированные испытания.

Заключение

•Таким образом, анализ результатов исследований герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, эксплуатировавшихся без предварительного доразряда показал, что основной причиной изменения электрических характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при эксплуатации их в условиях, ограничивающих глубину циклирования, является пассивация кадмиевого электрода.

Интенсивность нарастания пассивационных явлений определяется* режимом циклирования и сильно возрастает с уменьшением глубины разряда. При длительном циклировании с малым коэффициентом использования ёмкости накопление электрохимически малоактивной формы гидроксида кадмия может приводить к значительному снижению фактического соотношения зарядных ёмкостей отрицательного и положительного электродов и, связанному с этим, смещению потенциала кадмиевого электрода в конце заряда в сторону отрицательных значений с соответствующим увеличением конечного зарядного напряжения аккумулятора.

Исследования, проведенные при ускоренном заряде асимметричным током в условиях, ограничивающих глубину циклирования, показали возможность > стабилизации эксплуатационных характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов.

В ходе исследований установлено:

- при увеличении амплитуды катодного импульса коэффициент отдачи по емкости остаётся стабильным и не уменьшается, но при этом снижается средний ток заряда;

- при соотношении катодного и анодного импульсов равного пяти при одинаковом среднем значении зарядного тока коэффициент использования активной массы остаётся стабильным и не уменьшается;

- изменение числа катодных импульсов практически не влияет на коэффициент использования активной массы.

В результате проведенных исследований установлен оптимальный ускоренный режим» заряда для герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, позволяющий заряжать батареи без' предварительного доразряда. Параметры режима следующие: Параметры режима Р32: 1а=2,7 А, 1к1=1к2=13,5 А, ^=220 мс, ^1=6 мс, ^2=6 мс, Т]=6 мс, т2=4 мс, тз=6 мс, 1ср=1,75 А.

5 Устройство ускоренного заряда для системы электроснабжения программно-технических комплексов

Система электроснабжения; программно-технических комплексов * (СЭС-ПТК) предназначена? для; электроснабжения, базовых комплектов; ЕСУ ТЗ при работе во временных сооружениях,, укрытиях, неподготовленных стационарных помещениях. Принцип работы системы» соответствует работе бесперебойного* источника питания; то есть, в случае1 пропадания? входного; напряжения.; питания система осуществляет питание от резервных аккумуляторов; входящих в состав системы. При восстановлений; входного1 питающего; напряжения- потребитель запитывается от входной сети; а аккумуляторы дозаряжаются от зарядного устройства, находящегося, в составе, изделия! Как показали исследования, дозаряд батарей постоянным* током; на верхнем уровне заряженности приводит к потери ёмкости аккумулятора. В .связи с этим были проведены эксперименты по ускоренному заряду аккумуляторов асимметричным: током, в результате которых был найден оптимальный режим заряда,, позволяющий заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного; доразряда и ухудшения технико-эксплуатационных характеристик батареи.

В данной главе представлено разработанное зарядное устройство^. позволяющее формировать, асимметричный» ток; для заряда аккумуляторов, техническим результатом- которого должно являться уменьшение массы, габаритов и стоимости изделия.

Перед тем как перейти к описанию и принципу работы зарядного устройства, вкратце рассмотрим работу системы в целом.

На рисунке 5.1 представлена фотография системы, на рисунке 5.2 функциональная схема; а на рисунке 5.3 структурная схема изделия.

Рисунок 5.1 - Фотография системы электроснабжения для программно-технических комплексов кнагрузке к нагрузке к на груз ке

Рисунок 5.2 - Функциональная схема СЭС-ПТК

А1

А1.АЗ- мзЗ/пь пития сетееси МТ250-21-2,

А4.А6 - ьсд/гь стзбтштсра нзпршенш МЗ-М.1,

А7- моЗ/гь кскьуггац-П НЩ

АдI А9 - мод/гь батарейной Щ

АЮ- шЗ/гь зарядного успрсйстза ММ,

ПЗУ1 - плата зеря^озо усггройсггва ПЩ

ТМ - позъиаоцл! греофазовагегь нэпГП-Н

Рисунок 5.3 - СЭС-ПТК схема электрическая структурная

Описание и работа изделия. В модуле коммутации МК2 (А7) осуществляется коммутация и распределение входных питающих напряжений, а также формирование сигналов параллельной работы модулей МСН4.1 (А4.А6), контроль токов утечки и защитное отключение цепи -220В при токах утечки более 20мА, При этом напряжение сети -220В передаётся на входы модулей МПС250-27-2

А1. .АЗ), а напряжение питания 22. .27 В - на вход модуля МЗУ4 (А10). В цепь питания -220 В включен фильтр радиопомех А1. Модули МПС250-27-2 (А1.АЗ) преобразуют напряжение сети -220 В в постоянное напряжение 27 В. В модуле предусмотрены: индикация нормальной работы «РАБОТА», защита от токов перегрузки и токов короткого замыкания, принудительная вентиляция, защита от превышения температуры внутри модуля и индикация «АВАРИЯ».

Модуль зарядного устройства МЗУ4 (А10). На вход платы ППН1 (А10) поступает напряжение постоянного тока 27 В с выхода модулей МПС250-27-2 или 22.27 В с выхода МК2. Повышенное напряжение с выхода ППН1 передаётся на входы модулей МСН4.1 (А4.А6) и на вход платы ПЗУ1 (А 10) модуля МЗУ4 для заряда аккумуляторных батарей.

С помощью платы ПЗУ1 реализованы следующие основные функции: контроль входного напряжения питания ПЗУ1; тока и напряжения заряжаемых батарей; защита от токов перегрузки и короткого замыкания; управление знаковыми индикаторами платы АЗ (НЫ- «ПИТАНИЕ», НЬ2- «КОНТРОЛЬ АБ», НЬЗ- «РАБОТА от АБ»); заряд батарей и их разряд на внешнюю нагрузку или разрядный резистор находящийся в блоке (МЗУ4), а также функция выравнивания напряжения заряжаемых последовательно соединённых батарей.

Кнопкой 8В1 «Н/У» устанавливаются режимы заряда аккумуляторных батарей: ускоренный или нормальный. Тумблер 8А1 «ВКЛ АБ» служит для отключения от нагрузки аккумуляторных батарей с целью исключения саморазряда.

Модуль стабилизатора напряжения МСН4.1. Модули МСН4.1 (А4.А6), работающие при наличии внешней питающей сети, осуществляют стабилизацию выходного напряжения на уровне 27 В при токах нагрузки до 6 А на каждом выходе при работе каждого модуля на отдельную нагрузку или параллельно с суммарной нагрузкой 18 А. Они имеют защиту от перегрузок и токов короткого замыкания, индикацию исправной работы модуля (индикатор «РАБОТА»). При исчезновении напряжения основного источника питание нагрузки модулей А4, А5 снижается до 6 А и осуществляется от аккумуляторных батарей.

Для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током было создано зарядное устройство с питанием от сети постоянного напряжения .

На рисунке 5.4 представлена блок-схема устройства.

Рисунок 5.4 - Блок схема устройства ускоренного заряда

Для формирования анодного импульса используется понижающий ШИМ-преобразователь, состоящий из элементов УТ2, УТЗ, Ы, С2, а для формирования катодного импульса используется повышающий ШИМ-преобразователь, выполненный на тех же элементах. При формировании катодного импульса энергия разрядного импульса передаётся во входной конденсатор зарядного устройства С1, которая в дальнейшем расходуется на формирование зарядного импульса. Для проведения контрольно тренеровочного цикла для аккумулятора необходимо обеспечить стабилизированный разрядный ток. Для этого открываем транзистор УТ1 и, при помощи- повышающего ШИМ-преобразователя, разряжаем батарею стабилизированным током на резистор Ю.

Как известно, при построении схем для формирования отрицательного импульса используют промежуточные схемы между микроконтроллером и датчиком, с которого снимают ток. Эти схемы обычно представляют из себя операционные усилители, которые осуществляют инвертирование сигнала, снятого с датчика тока, при прохождении1 отрицательного импульса через него, для' подачи и последующей обработке его на микроконтроллере. В данном случае мы использовали микроконтроллер с десятибитным АЦП; который имеет восемь дифференциальных входов с программируемым коэффициентом усиления. За счет дифференциального АЦП и при помощи программных средств, инвертирование внешнего сигнала, приходящего с датчика тока, при формировании обратного импульса осуществлялось внутри микроконтроллера, что позволило исключить промежуточное звено между микроконтроллером и датчиком тока, что, в конечном счете, снизило стоимость изделия.

Такое построение силовой части и системы управления зарядного устройства даёт следующие преимущества: за счет применения синхронного выпрямителя при формировании зарядного и разрядного тока повышается КПД схемы;

- снижение потребления электроэнергии за счет рекуперации разрядного импульса в зарядную цепь; снижение стоимости изделия, за счёт исключения промежуточного звена между датчиком тока и микроконтроллером для инвертирования- и усиления сигнала при формировании отрицательного импульса и возложения этих функций на микроконтроллер с дифференциальным АЦП.

Применение разработанных режимов и технических решений с авторским приоритетом позволило на современной элементной базе создать устройство ускоренного заряда, осуществляющее свои функции в составе изделия СЭС-ПТК. На заводе ОАО "Электроавтоматика", г. Ставрополь была выпущена и поставлена заказчику опытно-промышленная партия изделий СЭС-ПТК, в которые входит зарядное устройство для ускоренного заряда, позволяющее заряжать герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без предварительного доразряда до конечного напряжения.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Эффект ускоренного заряда асимметричным током основан на улучшении распределения! тока по объёму пористого электрода. Это длинный анодный и большой по амплитуде, но малый по длительности, катодный импульс. Катодный импульс снимает поверхностный заряд и, тем самым, тормозит выделение кислорода на поверхности, что способствует более равномерному распределению тока. Известны такие работы, где предположено, что несколько катодных импульсов и паузы между ними положительно действуют на заряд аккумуляторов. Но объяснениям этим действия не было дано. Поэтому была выдвинута идея в катодный полупериод формировать два импульса, с паузой между ними. Также известно, что при заряде асимметричным током большие по амплитуде катодные импульсы могут разрушать никелевую основу. В результате разрушения, идет накопление активной массы, что очень вредно для герметичного аккумулятора. Перед нами1 стояла' сложная задача, с одной стороны, не уменьшить коэффициент распределения тока, а с другой стороны, не допустить разрушение основы. По-видимому, положительное действие нескольких разрядных импульсов и увеличение длительностей пауз между катодными и анодными импульсами связанно со следующими причинами. После прохождения анодного импульса в паузу включаются короткозамкнутые элементы, и часть поверхностного заряда перекачивается в глубину. Первый катодный импульс смещает потенциал поверхности в минус относительно глубинных слоев и снимает заряд с поверхности электрода. При второй паузе слои качают заряд на поверхность из более глубоких слоёв. Второй катодный импульс снимает и этот заряд, при этом потенциал электрода сдвигается ещё больше в отрицательную сторону, чем при заряде с одним катодным импульсом. Таким образом, улучшается распределение тока и циклируется больший объем массы.

Оптимальные режимы заряда для исследуемых типов батарей приведены в главе 3. Они обеспечивают заряд до номинальной ёмкости за 1,3-1,5 часа.

Существенным недостатком при циклировании герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов постоянным током без предварительного доразряда в течении длительного времени является потеря ёмкости из-за так называемого эффекта "памяти". Он* состоит в том, что образуется пассивная масса, которая теряет способность в дальнейшем отдавать заряд. Исследования, проведенные в данной работе показали, что потеря ёмкости связанна с пассивацией электродов, а особенно, кадмиевого.

Результаты данной работы показали, что величины и соотношения анодных и катодных импульсов влияют на структуру активной массы электрода. Так при соотношении амплитуд катодного импульса к анодному, равном 5, ёмкость аккумулятора при циклировании без предварительного доразряда в течение длительного времени остаётся стабильной и не уменьшается, в то время, как при изменении этого соотношения в меньшую сторону ёмкость аккумулятора начинает падать. Количество катодных импульсов более двух не влияет на состояние аккумулятора.

Таким образом, снижение пассивации электродов при эксплуатации аккумулятора без предварительного доразряда связанно с действием переменного асимметричного тока. Эффект его влияния возрастает с увеличением тока обратного импульса при одном и том же среднем значении зарядного тока.

1. Багоцкий B.C., Скундин A.M. Химические источники тока. М.:

2. Энергоатомиздат, 1981. -360 с.

3. Гинделис Я.Е. Химические источники тока (Курс лекций). Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1984. -174 с.

4. Варыпаев В.Н., Дасоян М. А., Никольский В. А. Химическиеисточники тока. М.:Высш. шк., 1990. - 240 с.

5. Бабаев Ф.З., Батюк В. А., Горячева В. Н. Элементы электрохимии. Химические источники тока: Учеб. пособие. -М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1993. -71 с.5. www.niai-istochnic.ru6. www.members.xoom.com.

6. Алашкин В.М. Проектирование литий-ионного аккумулятора для космических аппаратов / Ю.А. Батраков, B.C. Дубасова и др. // Материалы 7 межд. конф., 24-28 июня 2002., Саратов: Изд. -СГУ, 2002. -С. 3-4.

7. Материалы научно-практической конференции "Перспективы развития и применения литий-ионных источников тока". Санкт-Петербург, 17-18 февраля 2004. -С 26.

8. Даниель-Бек B.C. К вопросу о поляризации пористых электродов // Электрохимия. 1965.-Т. 1, Вып.11.-С. 1319-1324.

9. Даниель-Бек B.C. К вопросу о поляризации пористых электродов // Электрохимия. 1966. - Т. 2, Вып.6. - С. 672-677.

10. Левина В.И. Процессы, происходящие на кадмиевом электроде в щелочных растворах // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия. -1972.-Вып. 7.-С. 138-145.

11. Даниель-Бек B.C. К вопросу о поляризации пористых электродов* // Физическая химия, 1948. - Т. XXII Вып.6. - С. 697-710.

12. Морозов В.В. Разработка- моделей и исследование стационарного распределения электрохимического процесса по высоте электродов никель-кадмиевого аккумулятора // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия . - 1976. - Вып. 12. -С. 31-40.

13. Багоцкий B.C. Основы электрохимии. -М.: Химия, 1988. -400с.

14. Кукоз Ф.И. Равновесие и энергетика электрохимических систем. Потенциалы в электрохимии: Учебное пособие. — Новочеркасск: НПИ, 1993.-134 с.

15. Багоцкий B.C., Скундин A.M. Химические источники'тока. М.: Энергоиздат, 1981. - 369 с.

16. Романов В.В., Халиев Ю.М. Химические источники тока. М.: Сов. Радио, 1978. - 264 с.

17. Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Кудрявцев Ю.Д. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. Новочеркасск: НПИ, 1980.-88 с.

18. Варыпаев В.Н., Дасоян М.А., Никольский В.А. Химические источники тока. — М.: Высшая школа, 1990. 240 с.

19. Барсуков В.В., Сагоян Л.Н. К постановке задачи оптимизации толщины металлокерамических электродов химических источников тока. // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия. - 1974. -Вып. 19. -С. 81-86.

20. Взаимосвязь структурных характеристик металлокерамического окисно-никелевого электрода / В.В. Барсуков, И.И. Милютин, П.А. Антоненко, Л.Н. Сагоян // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия. -1974.-Вып. 9.-С. 86-90.

21. Кузнецов В., Панькиа О. Конденсаторы с двойным электрическим слоем // Компоненты и технологии. 2005. - №6. — С. 12-16

22. Пат. 5175485 (США), МПК Н 02 J 7/00. Apparatus for controlling charging of a storage battery / Yeong J. Joo (Южная Корея); Gold Star Co., Ltd. (Южная Корея). № 762108; заяв.' 19.09.91; опубл.2912.92.

23. Пат. 5192905 (США), МПК Н 02 J 1/04. Charging voltage control and current limit for battery charges / Richard A. Karlin, Hussein I. Bittar (США); MagneTek, Inc. (США). № 763630; заяв. 23.09.91; опубл.0903.93.

24. Пат. 5854551 (США): МПК Н 02 J 7/00. Battary charges with low standby current / Patrik Lilja, Thomas Joseph (США); Ericcson Inc. (США). № 806995; заяв. 26.02.97; опубл. 29.12.98;

25. Пат. 6791300 (США); МПК Н'02 J 7/04. Battery charges and charging method / Dahn T. Trinh, Paul S. White, Daniele C. Brotto (США); Black&Dacker Inc. (США). № 10/349834; заяв. 23.01.03; опубл. 14.09.04.

26. Пат. 1269616 (КНР), МПК Н 01 М 10/44. Pulsed fast charge method / Wang Jian (КНР); Wang Jian (КНР): № 19990101948; заяв. 02.04.99; опубл. 11.10.00.

27. Заявка 93012714 Рос. Федерация: МПК Н 02 J 7/00. Способ защиты герметичных аккумуляторов от перезаряда / А.А. Прокофьев, И.Ф. Даниленко; № 93012714/07; заявлено 10.03.93; опубл. 27.05.95, Бюл. №13.

28. Пат. 2905582 Япония, МПК Н 02 J 7/04. Блок с заряжаемой батареей / Ямасита Масотака, Ёсино Акира (Япония); Асахи-касэй коге К.К., (Япония). -№ 2242620; заявлено 14.09.90; опубл. 14.06.99, Бюл. №13.

29. Заявка 2004177282 (США), МПК G 06 F 1/26. Method and circuit for controlling battery charge and supply by microprocessor / Twu Ching Chang (Тайвань); Zone Technology Inc. (Тайвань). № 20030379697; заяв. 06.03.03; опубл. 09.09.04.

30. Пат. 1474494 (Китай), МПК Н 02 J 7/00 Battery charge with protective circuit / Jefry S. Houhard, Nasanel A. Mcley, Wicky J. Mid (США); Black&Dacker Inc. (США). № 20030128529; заяв. 03.04.03; опубл: 11.02.04.

31. Пат. 2961009 Япония, МПК И 02 J 7/10. Схема: управления ускоренным зарядом аккумуляторной: батареи / Сэи Кёо (Япония); Мибоси дэнси К.К., (Япония). № 4119265; заявлено 12.05.92; опубл. 17.10.99, Бюл. №13.

32. Пат. 3018079 Япония: МПК И 02 J 7/34. Устройство для заряда и управления батарейным источником; питания / Суйрютэн Такэси (Япония); Кёсара К.К. (Япония). №1082072; заявлено 31.03:89; опубл. 13.03.00, Бюл. №5.

33. Пат. 2914259 Япония, МПК Н 02 J 7/34. Портативный электронный прибор с батарейным питанием и способ управления! зарядом батареи прибора / Сибуя Тосиюки (Япония); Ниппон дэнки К.К., (Япония). № 7325670; заявлено 14.12.95; опубл. 28.06.99, Бюл. №14.

34. Пат. 2996076 Япония: МПК H 02 J 7/02. Устройство для управления зарядом аккумуляторных батарей / Ямамото Тэцуитиро (Япония); Ниппон дэнки К.К. (Япония). № 5274427; заявлено 02.11.93 опубл. 07.12.99, Бюл. №13.

35. Пат. 5920181 США: МПК H 02 J 7/00. Устройство для защиты батарей и для их зарядки / Jade Alberkrack, Troy L. Stockstad (США); Motorolla, Inc. (США). № 103826; заявлено 24.06.98;. опубл. 06.07.99, Бюл. №13.

36. Пат. 2947194 Япония: МПК H 02 J 7/001 Схема заряда аккумуляторной батареи с возможностью регулирования зарядного< тока / Тосиюки Футами (Япония); Ниппон дэнки К.К., (Япония). -№ 8335601; заявлено 16.12.96; опубл. 13.09.99- Бюл. №24.

37. Пат. 981417А (Финляндия): МПК H 02 J 7/04. Method and arrangement for< charging a battery / Toivo Ridal, Asko Niskunen (Финляндия); Nokia. Netwoks Oy (Финляндия). № 19980001417; заяв. 18.06.98; опубл. 19.12.99.

38. Пат. 2138896 Рос. Федерация: МПК H 02 J 7/10. Способ и устройство для зарядки аккумуляторной батареи- / Стюарт Нейл Симмондс (Канада), Исаму Майамото (Япония); Даталинк Корпорейшн (Япония). № 95112476/09; заявлено 20.04.94; опубл. 27.09.99, Бюл. №27.

39. Пат. 5982147 США: МПК H 02 J 7/00. Система для отображения состояния батареи / Eric D. Anderson6 (CILLA); Micron Electronics, Inc. (США). № 007367; заявлено 15.01.98; опубл. 09.11.99, Бюл. №21

40. Пат. 2918173 Япония: МПК H 02 J 7/10. Устройство для контроля окончания заряда аккумуляторного блока / Накамури Кацудзи (Япония); Матсусита дэнко К.К., (Япония). № 2233969; заявлено 03.09.90; опубл. 12.07.99, Бюл. №15.

41. Пат. 5965998 США: МПК H 02 J 7/00. Устройство заряда батарей савтоматическим контролем заряда батареи / John S. Whiting, Cris С. Dickey (США); Century mft. Co, Inc. (США). № 675383;'заявлено 02.07.96; опубл. 12.10.99, Бюл. №19. f

42. Пат. 2978994 Япония: МПК H 02 J 7/02. Устройство для индикации состояния аккумуляторной батареи / Такеда Дзюньити, Ситакадо Кацуаки (Япония); Кюсю Хитаси макусэру К.К. (Япония). -№ 1213720; заявлено 18.08.89; опубл. 15.11.99, Бюл. №23.

43. U 2407В, Simple Controller for Fast Charge System, Telefunken Semiconductors. -1995. 15 c.

44. U 2405B, Fast Charge Controller for Drained NiCd/NiMH Batteries, Telefunken Semiconductors. -1995. 19c.

45. U 2402B-B, Fast Charge Controller for NiCd/NiMH Batteries,i

46. Telefoneen Semiconductors. -1995. -19 c.

47. Заявка 2002108650 Рос. Федерация: МПК H 02 J 7/00. Способ заряда аккумулятора / C.B. Сарапов, А.Ю. Федоров (Российская федерация); № 2002108650.09; заявлено 28.03.02; опубл. 20.10.03, Бюл. №29.

48. Пат. 2777395 Франция: МПК H 02 J 7/00. Способ и устройство для перезарядки мощной батареи электромобиля / Regis Debreuil, Paul Gueveau, Gerard Guevean (Франция); France Design (Франция). -№ 9804473; заявлено 09.04.98; опубл. 15.10.99, Бюл. №20.

49. Заявка 95122272 Рос. Федерация: МПК H 02 J 7/00. Способ заряда аккумуляторов асимметричным током и система (устройство для) его реализации / А.Г. Николаев (Российская федерация). № 95122272/07; заявлено 28.12.95; опубл. 10.02.98, Бюл. №4.

50. Пат. 2988670 Япония: МПК H 02 J 7/00. Способ управления зарядом аккумуляторной батареи / Сосу Ёсимаса, Кудо Таканори и др. (Япония); Мацусита дэнки санчё К.К., (Япония). № 1218160; заявлено 24.08.89; опубл. 13.12.99; Приоритет 24.08.89, Бюл. №13.

51. Заявка 2001136054 Рос. Федерация: МПК H 02 J 7/10. Способ ускоренного заряда аккумуляторных батарей и устройство длящего осуществления / Ю.Е. Пименов (Российская* федерация). № 2001136054.09; заявлено 28.12.01; опубл. 20.07.03, Бюл. №20.

52. Пат. 2691853 Франция: МПК H 02 J 7/02. Appareil pour charger un accumulator d'energie electrique rechargeable / Rene Jeanneret (Франция); SMH management services AG (Франция). № 19920006691; заяв. 01.06.92; опубл. 20.12.02.

53. Пат. 2941686 Япония: МПК Н> 02 J 7/04. Устройство и способ управления ¡зарядом аккумуляторной-батареи / Пак Хаэ У (Южная Корея); Huyndai motor company (Япония). № 7150776; заявлено 16.06.95; опубл. 25.08.99, Бюл. №18.

54. Пат. 2937075 Япония: МПК H 02 J 7/04. Зарядное устройство с регулятором температуры заряжаемой аккумуляторной батареи / Сугияма Акихиро (Япония); Ниппон дэнки К.К. (Япония). № 7127183; заявлено 27.04.95; опубл. 23.08.99, Бюл. №18.

55. Пат. 2962884 Япония: МПК H 02 J 7/10. Зарядное устройство / Тоя< Сёити (Япония); Санъё дэнки К.К. (Япония). № 3191777; заявлено 31.07.91; опубл. 12.10.99, Бюл. №21.

56. Пат. 2405271 (Великобритания): МПК H 02 J7/00. Battery charger / Crisp Robert, Glasgow Kevin, Willhide Joseph, Glen C. Spence, George L. Santana Jr. (США); Milwaukee Electric Tool Corp. (США). -№20040017833; заяв. 11.08.04; опубл. 23.02.05.

57. Пат. 6043630 США: МПК H 02 J 7/00. Способ и система быстрого заряда батарей / Steven Е. Koenck, Phillip Miiller, Ronald D: Becker (США); Intermec Ip Corp., Inc. (США). № 223983; заявлено 04.01.99; опубл. 28.03.00, Бюл. №6.

58. Заявка 2004251879 (США): МПК H 02 J 7/10. Battery charging system / Joseph Patino (США); Motorola Inc. (США). № 20030459271 (США).

59. Пат. 2903954 Япония: МПК Н 02 J 7/10. Устройство для заряда аккумуляторной батареи / Такахаси Кэндзи, Сугавара Тору. (Япония); Синкамбэ дэнко К.К., (Япония). № 5159809; заявлено 30.06.93; опубл. 14.06.99, Бюл. №13.

60. Пат. 2476342 (Канада): МПК Н 02 J 7/00. Battery recharger with time / Christopher A. Recchia, (США), David M. Shaver (Канада); Black&Dacker Inc. (США). № 10/635155; заяв. 06.08.03; опубл. 10.02.05.

61. Заявка 10059523 (ФРГ): МПК Н 02 J 7/00. Schaltung zum Laben von Akkumulatoren / Rolf Beerwerth, Christian Kranz, Hans-Gerd Kirchhoff (ФРГ); Infineon Technologies AG (ФРГ). № 100595235; заяв. 30.11.00; опубл. 27.06.02.

62. Заявка. 2004101188 (Япония): МПК Н 02 J 7/00. Method for detecting full-charge capacity of battery / Matsuda Hiroshi, Okui Katsumne, Watase Sunao (Япония); Sanyo Electric Co. (Япония). № 20020259065; заяв. 04.09.02; опубл. 02.04.04i

63. GP Rechargeable Batteries. Nickel-Metal Hydride. Technical Handbook. -1999. -52 c.69. 19-0100, Rev 5, Ni-Cd/Ni-MH battery fast-charge controllers MAX712/713 // Maxim Integrated Products Inc. -2002. -17 c.

64. Пат. 2218636 Рос. Федерация: МПК H 02 J 7/00. Способ заряда аккумулятора / C.B. Сарапов, А.Ю. Федоров (Российская федерация). № 2002108650/09; заявлено 28.03.02; опубл. 10.12.03, Бюл. №34.

65. Черненко В.И., Литовченко К.И., Папанова И.И. Прогрессивные импульсные и переменнотоковые режимы электролиза. -Киев: Наукова думка, 1988. -176 с.

66. А.с. 1035687 СССР: МПК H 01 M 10/44. Способ форсированного заряда никель-кадмиевого аккумулятора / Ю.Д. Кудрявцев, Ф.И. Кукоз; В.М. Купаев, и др. Новочеркасский политехнический институт (СССР). -№ 3410182; заявлено 19.03.82; опубл. 15.08.83, Бюл. №30.

67. Новикова А.Ф. Применение переменного тока в производстве и эксплуатации химических источников тока: дисс. . канд. Хим. Наук. Новочеркасск, 1988. -176 с.

68. Вельский В.П. Регулирование токов при испытании электрических аккумуляторов. // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия, 1971. -Вып. 6.-С. 195-202.

69. Зорохович А.Е. Устройство для заряда и разряда аккумуляторных батарей / А.Е. Зорохович, В.П. Вельский, Ф.И. Эйгель // Сборник работ по ХИТ. -Л.: Энергия, 1975. С. 31-40.

70. Пугачев ^ Е.В., Розеншток Б.Я., Бредихин Ю.Н. Оптимизация процесса заряда герметичных серебряно-кадмиевых аккумуляторов. // Сборник работ по ХИТ. -Д.: Энергия, 1980. Вып. 14. -С. 59-61.

71. Бурдюгов А.С. Способы автоматизированного ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: дисс. .канд.техн.наук. Новочеркасск, 2005. -168 с.

72. Пат. 94040714 Рос. Федерация: МПК Н 02 J 7/00. Способ и устройство для заряда аккумуляторной батареи и способ определения состояния аккумуляторной батареи / Юри Подражански (США). № 94040714/07; заявлено 22.07.94; опубл. 27.05.96, Бюл. №20.

73. Романов В.В., Хашев Ю.М1 Химические источники тока. -М.: Сов. радио, 1978.-264 с.81. www.cadex.com

74. Журнал "Электронные компоненты" SLUS133B,- NiCd/NiMH fastcharge manangment ICs bq2002D // Texas Instruments. 2000. -C. 13.

75. Пат. 2927354 Япония: МПК H'02 J- 7/04'. Способ и устройство-для заряда аккумуляторной батареи / Синовара Сигэру, Накаяма Эйдзи и др. (Япония); Хитати коки К.К., (Япония). № 63009341; заявлено 19.01.88; опубл. 28.07.99; Приоритет 19.01.88, Бюл. №15.

76. Устройство подзаряда аккумуляторных батарей для электропоездов./ JT.H. Сорин, В.Г. Сушко, Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов // Электровозостроение. -1999. Т 41. -С. 318-321.

77. Пат. 5994874 США: МПК Н 02 J 7/00. Система заряда батарей с блоком батарей разного напряжения, использующая единое' зарядное устройство / Toshinori Hirose (Япония); NEC Corrporation (Япония). № 078449; заявлено 18.03.98; опубл ЗОЛ 1.99, Бюл. №22.

78. Пат. 5986430 США: МПК Н 02 J 7/00. Способ сверхбыстрого заряда батареи транспортного средства с регулированием различных режимов заряда / Jose Maria Fernandez, Ronald Scot

79. Coapstick (США); Motorila, Inc/ (США). -№ 110339; заявлено 06.07.98; опубл. 16.11.99, Бюл. №22.

80. Сметанкин Г.П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда* герметичных щелочных аккумуляторов: дисс. . канд: техн. наук. — Новочеркасск, 2002. 162 с.

81. Теньковцев В.В., Центнер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 96 с.

82. Сушко В.Г. Применение асимметричного тока в. производстве и эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторв: дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск, 1984. - 158 с.90. http://www.powerinfo.ru

83. Н.Ю. Уфлянд, A.M. Новаковский, С.А. Розенцвейг. Изучение свойств окисно-никелевого электрода»// Электрохимия. 1967. - Т. 3, вып. 5.-С. 537-542.

84. Д.А. Хрусталев Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003. -224 с.

85. Таганова А. А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для; испытаний и эксплуатации: Справочник. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005.-264 с. (

86. Кудрявцев Ю.Д. Поведение металлов при нестационарном электролизе в щелочных и нейтральных растворах и возможность практических приложений: дис.докт.техн.наук Новочеркасск, 1994.^-368 с.

87. Барсуков В.З. и, др: Модели заполнения порового пространства металлокерамического окисноникелевого электрода активным веществом // Сборник работ по ХИТ. J1.: Энергия, 1976. -Вып. 9. -С. 91-102.

88. Уваров В.Б., Болдин Р.В., Ротинян A.J1. Изменение концентрации электролита в металлокерамических кадмиевых электродахщелочного аккумулятора. Электрохимия. -1974. -Т. 10, №2. -С. 334-337.

89. ТУ 44РК-4676561-009-94. Батареи НКГЦ. Талды-Курган, 1994. -34 с.

90. Л. А. Львова, А. В. Фортунатов, Д. К. Грачев. Изучение анодного поведения кадмия в растворах гидроокиси калия методом кривых заряжения // "Вопросы электрохимии". Изд. -Саратов: Саратовского университета, 1968. -С. 22-29.

91. Б. Н. Афанасьев, В. И. Букаринов, И. И. Милютин. Кинетика электроокисления Сс1 в Ш растворе КОН // Электрохимия. -1974. -Т. 10, Вып. 1.

92. Пугачев Е.В., Розеншток Б.Я., Бредихин Ю.Н. Оптимизация процессазаряда герметичных серебряно-кадмиевых аккумуляторов. // Сборник работ по ХИТ. -Л: Энергия, 1980. -Вып. 14. -С. 59 61.