Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов
Диссертация
Автор: Сметанкин, Георгий Павлович
Название: Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов
Справка: Сметанкин, Георгий Павлович. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов : диссертация кандидата технических наук : 05.17.03 Новочеркасск, 2002 162 c. : 61 03-5/683-8
Объем: 162 стр.
Информация: Новочеркасск, 2002
Содержание:
Список сокращений
ВВЕДЕНИЕ
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
11 Способы и устройства ускоренного заряда щелочных аккумуляторных батарей
12 Зарядные и контролирующие устройства для эксплуатации химических источников тока
13 Цель и задачи исследования
2 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СТЕНДА ДЛЯ СБОРА, ОБРАБОТКИ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ ЗАРЯДА-РАЗРЯДА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
21 Разработка аппаратной части на базе IBM/PC AT
22 Особенности сбора и обработки информации заряд/разрядных процессов химических источников тока
23 Программное обеспечение сбора информации и обработки результатов экспериментов
3 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УСКОРЕННЫЙ ЗАРЯД ЩЕЛОЧНЫХ НК АККУМУЛЯТОРОВ И
АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
31 Методика исследований
32 Влияние ускоренных режимов заряда постоянным и асимметричным током на поведение аккумуляторов и аккумуляторных батарей
33 Выбор оптимального способа и токового режима ускоренного заряда аккумуляторов асимметричным током
34 Критерии оценки состояния аккумуляторов при ускоренном заряде асимметричным током в реальном масштабе времени и способы автоматизированного ускоренного заряда
35 Ускоренный заряд аккумуляторов с неопределенной степенью заряженности
4 ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ПРИ УСКОРЕННОМ ЗАРЯДЕ
41 Заводские испытания герметичных пальчиковых аккумуляторов НКПЛГЦ-0,5
42 Влияние ускоренного режима заряда асимметричным током на долговечность аккумуляторов
421 Методика и объем испытаний
422 Заряд/разрядные характеристики батарей для аппаратуры средств связи при ускоренном заряде асимметричным током
423 Оценка параметрической надежности аккумуляторных батарей разных типов по данным наработки на долговечность в режиме циклирования при заряде способом автоматического ускоренного заряда асимметричным током
4231 Вычисление вероятности нахождения в работоспособном состоянии
4232 Вычисление плотности распределения наработки до параметрического отказа
4233 Результаты обработки экспериментального материала
5 ВАРИАНТЫ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ РАЗНЫХ
ТИПОНОМИНАЛОВ
51 Устройство ускоренного заряда с фазовым регулированием и силовым трансформатором
52 Устройство ускоренного заряда с конденсаторами в качестве токоограничивающих элементов К Ю
53 Устройство ускоренного заряда с ШИМ-преобразователями на высокой частоте 1 (>
531 Устройство ускоренного заряда на понижающих ШИМ-преобразователях
532 Устройство ускоренного заряда на ШИМ-преобразователях с рекуперацией разрядного импульса
533 Многоканальные устройства ускоренного заряда БЗ-281 и БЗ-282 1)
534 Система управления на основе БУЗУ-8 1 ]
54 Микропроцессорное управление как основа для создания современных зарядных устройств
6 ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА
ВЫВОДЫ
Введение:
Одним из путей решения задачи ускорения научно-технического прогресса является создание и внедрение в производство интенсивных технологий, способных увеличить выпуск продукции, улучшить её качество и потребительские свойства без увеличения технологических затрат и экологической нагрузки на окружающую среду.
Химические источники тока находят широкое применение в различных областях техники. Современная технология их производства и эксплуатации сопряжена с проведением длительных операций но формированию и заряду. Для интенсификации этих процессов в последние годы начали с успехом применять нестационарный электролиз, эффективность которого известна в ряде областей прикладной электрохимии. Применение переменного тока позволяет существенно ускорить как заряд, так и формирование аккумуляторов различи] >гх электрохимических систем, улучшить их эксплуатационные характеристики и совершенствовать технологические процессы их производства. Однако, внедрение асимметричного переменного тока, в производство и эксплуатацию ХИТ пока ограничено из-за отсутствия надежной, простой в эксплуатации аппаратуры, реализующей нестационарные режимы для различных типов ХИТ. Актуальность темы. Основной проблемой при использовании герметичных щелочных аккумуляторных батарей являются их длительные режимы заряда. Время заряда аккумуляторных батарей стандартными режимами складывается из времени предварительного разряда в соответствии и времени заряда номинальным режимом 13-16 часов (в зависимости от тина батареиX при котором гарантируются эксплуатационные характеристики. Для некоторых типов аккумуляторных батарей в ТУ /1-4/ приводятся короткие трехчасовые и сверхкороткие получасовые режимы заряда постоянным током, со снижением отдаваемой емкости 0,9Сном и 0,8С1(Ш соответственно, но не приводится сведений о ресурсе источников -количестве заряд/разрядных циклов, возможных при данных режимах заряда.
Существует несколько способов решения проблемы ускоренного заряда аккумуляторных батарей. Наиболее распространены и изучены режимы заряда постоянным током с контролем напряжения и тока, и прекращения процесса заряда по истечении определенного времени. Данные режимы являются стандартными, и определенные их соотношения приводятся в ТУ и инструкциях по эксплуатации на аккумуляторные батареи как номинальные, при которых батарея соответствует технико-эксплуатационным характеристикам (номинальной емкости, минимальной наработке, и др.). В настоящее время появились устройства ускоренного заряда постоянным током, которые контролируют напряжение га аккумуляторной батарее в процессе заряда и окончание заряда определяют по заданным критериям: градиенту напряжения, температуре и т.д. Другой путь - создание аккумуляторов с использованием тонких электродов, чго позволяет повысить зарядные и разрядные токи и сократить время заряда. Для таких батарей допускается до 30 ускоренных циклов заря ja постоянным током одночасового режима. При заряде аккумуляторных батарей ускоренными режимами постоянного тока ресурс батарей сильно сокращается.
Один из возможных путей снижения времени заряда аккумуляторных батарей - это применение заряда переменным tokovi. Описаны способы успешного применения асимметричного тока д ю ускорения процесса заряда и формирования аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Широкое внедрение их тормозится отсутствием развитой теории нестационарного электролиза, а также сложностью устройств, реализующих переменно-токовые режимы. С появлением У однокристальных микропроцессоров, имеющих внутреннюю память программ и данных, оснащенных дополнительными устройствами: АЦП, ШИМ, таймерами, коммутаторами аналоговых сигналов и др., стало возможным создание устройств ускоренного заряда, в том числе, малогабаритных. Применение оригинальных схемотехнических решений и современной элементной базы позволяв! создавать экономичные, приемлемые по цене для массового потребителя, зарядные устройства на базе однокристальных микропроцессоров. Все это делает весьма актуальными вопросы изучения 'закономерностей поведения никель-кадмиевых аккумуляторов при ускоренном заряде асимметричным токами и на их основе позволит решить задачу сокращения временных и энергетических затрат при производстве и эксплуатации аккумуляторных батарей, а также промышленного внедрения ускоренного заряда без ухудшения эксплуатационных характеристик.
Цель диссертационной работы состояла в создании способа и автоматизированного устройства, позволяющего управлять процессом ускоренного заряда герметичных щелочных ПК аккумуляторных батарей в реальном масштабе времени, и обеспечивающих их заряд без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик (номинальной емкости, ресурса эксплуатации) при сокращении времени в 6-8 раз.
Достижение цели осуществлялось решением следующих задач:
• выявление по известным литературным данным закономерностей поведения пористого электрода при воздействии разно-полярн >ix импульсов, в частности, установления зависимости проникновения тска заряда в глубину поры конкретного ХИТ от параметров асимметричного тока: частоты, скважности, амплитуды зарядного и разрядного импульсон;
• определение на основе анализа устройств, позволяющих формировать асимметричный ток заряда, основных недостатков известных способов ускоренного заряда и средств их реализации;
• исследование и установление закономерностей заряд/разрядных процессов на основе анализа полученных экспериментальных данных поведения щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов НК-125, HKI1-S 0, НКПЛГЦ-0,5 и герметичных аккумуляторных батарей 10НКГ-2, 10НКГ-4, ЮНКГЦ-1,8, ЮНКГЦ-3,5, ЮЦНК-0,45, ЮНКМГ-З, 10НКМГ-4 при ускоренных режимах заряда постоянным и асимметричным током;
• выбор критериев оценки состояния герметичной аккумуляторной батареи для управления ускоренными заряд/разрядными процессами;
• исследование влияния условий и ускоренных режимов циклироваш гя на технико-эксплуатационные характеристики аккумуляторных батарей ЮНКГЦ-1,8, ЮНКГЦ-3,5, ЮЦНК-0,45, ЮНКМГ-З, 10НКМГ-4;
• разработка способов ускоренного заряда асимметричным током б ;з ухудшения технико-эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей;
• технико-экономическая оценка разработанных способов и устройств ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторных батарей.
Научная новизна. Установлена возможность проведения ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с неопределенной степень о заряженности до полной емкости без предварительного доразряд i, предусмотренного в регламентах эксплуатации таких источников тока.
Определены критерии оценки состояния герметичных щелочных аккумуляторных батарей при ускоренном заряде переменны -л асимметричным током.
Разработаны оригинальные способы автоматизированного ускоренного заряда герметичных и негерметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током.
Техническая новизна. Разработаны устройства с авторские приоритетом, предназначенные для автоматизированного ускоренною заряда асимметричным током аккумуляторов и батарей, различных типономиналов, реализующие один или несколько критериев окончания заряда. Устройства, реализующие разработанный способ заряда и ею окончание по уровню напряжения на аккумуляторной батарее, и устройства, реализующие разработанный способ с автоматические определением типа заряжаемой батареи и выбором соответствующего данному типу алгоритма заряда (режима заряда и критериев окончания заряда, без предварительного доразряда).
Предложена схема рекуперации разрядного импульса, когда в качестве разрядного используется повышающий ШИМ-преобразователь, передающий энергию разрядного импульса в зарядную цепь и использование ее для создания тока заряда.
Практическая ценность работы. Разработан аппаратно-программный измерительный комплекс на базе персональной ЭВМ IBM PC/AT и платы АЦП L-164, позволяющий в процессе заряда/разряда аккумуляторной батареи в автоматическом режиме фиксировать информацию на жестко л диске, а также проводить запись процессов длительностью более 10 часов с дискретностью от 50мкс до нескольких минут. Во время записи длительных процессов комплекс позволяет в заданные моменты времени фиксировать кадры с более высоким разрешением. При обработке полученной информации осуществлять визуализацию, масштабировании, наложение и фиксацию нескольких процессов одновременно на экране монитора, а также получать твердые копии, строить вольтамперн ле кривые, сглаживать (усреднять) кривые заряда U(t), полученные на асимметричном токе, рассчитывать количество электричества, затраченное на заряд и др.
Разработана техническая документация и изготовлены опыта >ie образцы устройств ускоренного заряда:
• устройства с питанием от сети переменного тока;
• трансформаторные зарядные устройства (АС № 1742940);
• бестрансформаторные устройства с конденсаторами в качест ве токоограничивающих элементов (Патент Российской Федерации RU №2134476);
• устройства с питанием от сети постоянного тока, автоматическим определением типа заряжаемой батареи и выбором соответствующего данному типу алгоритма ускоренного заряда, реализующие способы автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током;
• трансформаторное устройство для заряда асимметричным током батарей тяговых аккумуляторов 161ТНКШ-550 У5, 161ТНКШ-650 У5 (средние токи заряда до 100А);
• трансформаторное устройство для заряда асимметричным током и разряда постоянным током электровозных батарей 42НК-125 (с установкой уровня ограничения напряжения на батарее при заряде и разряде);
• устройства с конденсаторами в качестве токоограничивающих элементов, диапазон токов заряда от 0,5А до 6А, автоматическим отключением при достижении на аккумуляторной батарее напряжения заранее заданного уровня. В устройствах предусмотрена возможность выбора уровня зарядного тока и возможность переключения уровня отключения для двух типов аккумуляторных батарей. На устройстве проводились производственные испытания режима заряда асимметричным током с автоматическим отключением аккумуляторной батарея 4НКПЛГЦ-0,5 на заводе Автономных источников тока («АИТ») в \ Саратове.
На основании анализа полученных результатов и опыта создания устройств ускоренного заряда были предложены технические решения, разработаны принципиальные схемы, печатные платы и компоновка блоков зарядных устройств БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх аккумуляторных батарей соответственно. Блок зарядный позволяет автоматически определять тип заряжаемой батареи и выбирать алгоритм заряда для данного типа батареи, а также производит ь автоматическое отключение режима заряда после выявления одного или определенной последовательности критериев окончания заряди, соответствующей выбранному алгоритму заряда.
В рамках создания зарядных устройств УУЗ-1, УУЗ-2 по заказу МО РФ, в соответствии с х/д 36/99, на заводе "Электроаппарат" в г. Ростове выпущена опытно-промышленная партия блоков зарядных БЗ-281 и БЗ-282, которые успешно прошли квалификационные испытания. Акты результатов испытаний приведены в приложении к диссертационной работе.
На защиту выносятся:
•сравнительные данные о влиянии ускоренного заряда постоянны л и асимметричным током на параметры никель-кадмиевых аккумуляторов л аккумуляторных батарей;
•критерии управления процессом заряда асимметричным током;
•способы и устройства для ускоренного заряда асимметричны е током щелочных аккумуляторных батарей, в том числе герметичных.
Настоящая работа явилась продолжением работ, проводимых в проблемной лаборатории ЮРГТУ (НПИ) "Защита материалов" под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Ф.И. КУКОЗА по созданию теории процессов, происходящих в НК аккумуляторах, и разработке основ технологии их производства и эксплуатации. Она выполнена по заданию промышленности Всероссийского электровозостроительного проектно-конструкторского и технологического научно-исследовательскою института (ВЭлНИИ), Всероссийского научно-исследовательскк й института связи (ВНИИС), Центрального научно-исследовательско1 о испытательного института номер 16 (ЦНИИИ-16) на ба ;е конструкторского подразделения «ВЭлНИИ» при активном участии к.т. i. JI.H. Сорина.
Благодарю за оказанную помощь коллектив отдела САПР КР и ei о руководителя к.т.н. в.г. cvihko а также старшего научною сотрудника А.С. Бурдюгова.
Благодарю гл. инженера завода АИТ Н.Е. Семенова за проведение заводских испытаний режима заряда и устройства ускоренного заряда га Саратовском заводе автономных источников тока.
|