способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током

Формула изобретения

1. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷10 мс с паузами между ними 0÷2 мс, отличающийся тем, что амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первых циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зарядный и разрядный импульсы асимметричного тока каждый состоят из последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения среднего значения разрядного импульса асимметричного тока к среднему значению зарядного импульса асимметричного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования и восстановления емкости химических источников тока, и может быть использовано для формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей перед вводом в эксплуатацию при изготовлении и после длительного хранения.

Известен способ заряда и восстановления аккумулятора [Патент РФ № 2226019, H01M 10/44, 2002], в котором заряд аккумулятора проводят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты. Частоту импульсов, составляющих зарядный импульс, выбирают в пределах 3÷30 КГц. Импульсы тока высокой частоты приводят к механической вибрации аккумулятора с такой же частотой, что интенсифицирует электрохимические процессы, улучшает доступ электролита к активной массе электродов, улучшает условия движения газов для осуществления процесса рекомбинации. Благодаря импульсам разряда происходит измельчение крупнокристаллических структур на поверхностях элементов аккумулятора, чему способствуют и возникающие в аккумуляторе механические колебания. Однако при данном способе возможны механические повреждения активной массы и основы электродов. Кроме того, формирование зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты приводит к увеличению амплитудных значений токов, что увеличивает газообразование и омические потери в батарее.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату является способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током [Патент РФ № 2313864, H01M 10/44; H02J 7/10, 2006], в котором с целью сокращения времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых батарей формирование и восстановление емкости проводят заряжая аккумуляторные батареи асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 220±20 мс и разрядного импульса 15±5 мс с паузами между ними 0÷2 мс. Амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,6 от номинальной емкости. Процесс заряда прекращают при сообщении аккумулятору 120÷150% номинальной емкости, что прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов. Это приводит к снижению прироста разрядной емкости от цикла к циклу и, как следствие, к увеличению числа зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора номинальной емкости, т.е. увеличивается общее время формирования и восстановления емкости.

Задачей заявленного изобретения является сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей за счет сокращения числа заряд-разрядных циклов.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, заключающийся в проведении заряда аккумулятора разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного импульсов при отношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3÷4, при длительности зарядного импульса 200÷240 мс и разрядного импульса 10÷20 мс с паузами между ними 0÷2 мс, введены новые признаки: амплитуды зарядного импульса численно равны 0,2÷0,8 от номинальной емкости, процесс заряда на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 250÷500% номинальной емкости, процесс заряда на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору 120÷250% номинальной емкости.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата - сокращение числа заряд-разрядных циклов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что амплитуду зарядного импульса увеличивают до значения, равного 0,8 от номинальной емкости, что дает возможность вести заряд закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей асимметричным током повышенной плотности. Заряд на первом цикле формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 250÷500% номинальной емкости. Заряд на последующих циклах формирования и восстановления емкости прекращают при сообщении аккумулятору и аккумуляторной батарее 120÷250% номинальной емкости. Сообщение аккумулятору на первом цикле формирования и восстановления зарядной емкости менее 250% номинальной емкости прерывает основной процесс преобразования активной массы электродов, что снижает прирост разрядной емкости на последующих циклах. Сообщение аккумулятору свыше 500% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору на последующих циклах формирования и восстановления емкости ниже 120% номинальной емкости не дает прироста разрядной емкости. Сообщение аккумулятору свыше 250% номинальной емкости не увеличивает прирост разрядной емкости, но удлиняет время заряда аккумуляторов. Сообщение аккумулятору и аккумуляторной батарее на первом цикле зарядной емкости в выбранных пределах создает условия непрерывности процесса преобразования активной массы, а выбранные пределы сообщения зарядной емкости на последующих циклах создают эффект увеличения прироста разрядной емкости от цикла к циклу, вследствие чего число зарядно-разрядных циклов, необходимых для набора аккумулятором и аккумуляторной батареей номинальной емкости, сокращается. Введение новых признаков позволяет получить эффект, который предусмотрен в задаче, а именно: сократить общее время, необходимое для набора аккумулятором номинальной емкости.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники.

Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его исполнения, конкретных формах его материального воплощения либо особых условиях его использования, а именно: заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.

За счет реализации совокупности признаков, указанных в предложенном техническом решении, обеспечивается значительное сокращение общего времени формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

Заявленный способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током проверяли на четырех группах аккумуляторов (по три аккумулятора в каждой группе) номинальной емкостью 20 А·ч при формировании свежеизготовленных аккумуляторов - группа один (аккумуляторы № 1, № 2 и № 3) и группа два (аккумуляторы № 4, № 5 и № 6); при восстановлении емкости аккумуляторов после длительного хранения - группа три (аккумуляторы № 7, № 8 и № 9) и группа четыре (аккумуляторы № 10, № 11 и № 12).

Формирование емкости первой группы аккумуляторов в количестве трех штук ( № 1, № 2, № 3) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 450% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости первой группы аккумуляторов представлены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты формирования емкости аккумуляторов № 1, № 2, № 3
№ № циклов	Заряд	Разряд
Ток, А	Сзаряда, А·ч	Ток, А	Сразряда, А·Ч
№ 1	№ 2	№ 3	Сср
1	10	90	10	13,20	14,27	13,92	13,80
2	10	40	10	17,51	16,69	18,03	17,41
3	10	40	10	19,51	21,75	20,01	20,42

Формирование емкости второй группы аккумуляторов в количестве трех штук ( № 4, № 5, № 6) проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах формирования прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Разряд аккумуляторов проводили постоянным током 10 A до конечного напряжения 1 В. Результаты формирования емкости второй группы аккумуляторов представлены в таблице 2.

Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа формирования емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в трехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов формирования по сравнению со способом-прототипом.

Восстановление емкости третьей группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев ( № 7, № 8, № 9), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 10 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса численно равной 0,75 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного

Таблица 2
Результаты формирования емкости аккумуляторов № 4, № 5, № 6
№ № циклов	Заряд	Разряд
Ток, А	Сзаряда, А·ч	Ток, А	Сразряда, А·Ч
№ 4	№ 5	№ 6	Сср
1	8	30	10	9,01	9,86	10,11	9,66
2	8	30	10	11,53	10,90	10,25	10,89
3	8	30	10	10,35	11,29	11,83	11,16
4	8	30	10	11,21	12,43	12,75	12,13
5	8	30	10	13,46	13,95	14,18	13,86
6	8	30	10	14,57	15,13	15,79	15,16
7	8	30	10	16,52	18,64	19,61	18,26
8	8	30	10	18,04	19,51	19,95	19,17
9	8	30	10	19,16	20,18	20,81	20,05

импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом цикле формирования прекращали при сообщении аккумулятору 250% номинальной емкости. Процесс заряда на последующих циклах формирования емкости прекращали при сообщении аккумулятору 200% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора № 7 - 15,47 А·ч, аккумулятора № 8 - 17,25 А·ч, аккумулятора № 9 - 16,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 3.

Таблица 3
Результаты восстановления емкости аккумуляторов № 7, № 8, № 9
№ № циклов	Заряд	Разряд
Ток, А	Сзаряда, А·ч	Ток, А	Сразряда, А·ч
№ 7	№ 8	№ 9	Сср
1	10	50	10	20,21	20,68	20,36	20,42
2	10	40	10	20,38	20,89	20,44	20,57

Восстановление емкости четвертой группы аккумуляторов, находившихся в заряженном состоянии на ответственном хранении в течение 1 года 7 месяцев ( № 10, № 11, № 12), проводили при помощи заряда асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов со средним значением 8 А при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,3, с амплитудой зарядного импульса, численно равной 0,6 от номинальной емкости, при длительности зарядного импульса 220 мс, длительности разрядного импульса 15 мс, с паузой между ними 2 мс. Процесс заряда на первом и последующих циклах восстановления емкости прекращали при сообщении аккумулятору 150% номинальной емкости. Перед зарядом первого цикла аккумуляторы были разряжены постоянным током 10 А до конечного напряжения 1 В. Отданная разрядная емкость после длительного хранения аккумулятора № 10 - 16,10 А·ч, аккумулятора № 11 - 15,25 А·ч, аккумулятора № 12 - 17,39 А·ч. Результаты восстановления емкости третьей группы аккумуляторов представлены в таблице 4.

Таблица 4
Результаты восстановления емкости аккумуляторов № 10, № 11, № 12
№ № циклов	Заряд	Разряд
Ток, А	Сзаряда, А·ч	Ток, А	Сразряда, А·ч
№ 10	№ 11	№ 12	Сср
1	8	30	10	18,01	18,86	17,11	17,99
2	8	30	10	18,93	19,31	18,25	18,83
3	8	30	10	19,35	20,19	19,83	19,79
4	8	30	10	20,15	20,95	20,24	20,45

Сравнение результатов эксперимента показывает преимущество заявленного способа восстановления емкости отдельных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, выраженное в четырехкратном сокращении числа заряд-рязрядных циклов восстановления емкости по сравнению со способом-прототипом.

Предлагаемый способ может быть реализован и в частном случае (в зависимости от типа аккумуляторов), когда заряд осуществляют набором зарядных и разрядных последовательных однополярных импульсов от 2 до 24 при сохранении отношения амплитуд средних значений токов разрядного и зарядного импульсов.