Автономное автоматическое устройство для поэлементного доразряда серебряно-цинковых аккумуляторов и аккумуляторов других электрохимических систем
Для максимального продления числа зарядно-разрядных циклов или времени хранения серебряно-цинковых аккумуляторных батарей (а так же батарей некоторых других электрохимических систем) используется поэлементный доразряд. При его выполнении важно не допустить разряд отдельных аккумуляторов до напряжения, величина которого ниже уровня, заданного инструкцией по эксплуатации, и вызываемого этим повреждения аккумулятора.
Применяемые к настоящему времени устройства сложны и громоздки, содержат мощные коммутирующие устройства и требуют подачи внешнего электропитания и, в связи с этим, требуют постоянного надзора со стороны обслуживающего персонала.
Предлагаемая конструкция автономного автоматического доразрядного устройства отличается тем, что в схеме дополнительно введен входом к доразряжаемому аккумулятору повышающий широтно-импульсный преобразователь напряжения, выход которого подключен к узлу контроля напряжения и через него к узлу логики, а через него к электронному ключу, осуществляющему включение - отключение нагрузочного сопротивления. Применена схема питания схем управления, коммутации и сигнализации от доразряжаемого аккумулятора, при этом переразряд исключен. Устройство не требует надзора персонала. Опытный образец успешно выдержал испытания при доразряде реальных серебряно-цинковых аккумуляторов.
Полезная модель - автономное автоматическое поразрядное устройство (далее ААДРУ или устройство) - относится к электротехнике и предназначено для эксплуатации химических источников тока (в основном, аккумуляторов), более конкретно - для доразряда (т.е. снятия остатков емкости) серебряно-цинковых (далее СЦ) аккумуляторов после их разряда заданным режимом перед хранением в разряженном состоянии или перед следующим зарядом.
Аккумуляторы некоторых электрохимических систем, в частности СЦ, выходят из строя в тех случаях, когда их разряжают до напряжения ниже оговоренного в инструкции по их эксплуатации. Поэтому устройства для выполнения операции доразряда должны позволять осуществление обслуживающим персоналом контроля разрядного напряжения и отключение разряда конкретного аккумулятора после того, как его напряжение достигнет минимально допустимого значения.
Доразряд аккумуляторов может выполняться двумя способами: с предварительной разборкой аккумуляторной батареи на отдельные аккумуляторы или без разборки. В последнем способе при доразряде аккумуляторов, соединенных последовательно, для избежания нежелательного наложения контуров тока прибегают к поочередному разряду четных и нечетных аккумуляторов.
Устройства для осуществления доразряда можно разделить по принципу наличия или отсутствия необходимого для его работы внешнего электропитания, т.е. устройства "пассивного" и "активного" типа. И те, и другие, в свою очередь, подразделяются по признаку присоединения аккумуляторов: разряд в последовательном соединении или разряд в параллельном соединении и устройства для доразряда индивидуальных аккумуляторов.
И, наконец, последний критерий, по которому можно классифицировать устройства для выполнения доразряда, состоит в необходимости для обслуживающего персонала осуществления надзора за его работой или отсутствие такой необходимости.
На фиг.1 приведены широко известные схемы устройства для разряда и доразряда аккумуляторов в последовательной цепи с внешним источником постоянного тока и ручным регулированием тока с помощью реостатов и ручным отключением аккумуляторов по окончании разряда и без него. Контроль напряжения осуществляется вольтметром. Необходимость во внешнем источнике постоянного тока диктуется трудностью поддержания
тока после того, как почти все аккумуляторы выведены из последовательной цепи. На схеме фиг.1 обозначены: GB1÷GBn - аккумуляторы, SA1÷SAn -пакетные выключатели, R1 - регулировочный реостат, РА1 - амперметр, PV1 - вольтметр, ИТ - источник постоянного тока.
Тот же принцип разряда и доразряда аккумуляторов в последовательной цепи, но с автоматическим управлением силой тока, автоматическим контролем напряжения и автоматическим выведением аккумулятора из последовательной цепи с помощью электромагнитных переключателей в виде структурной схемы показан на фиг.2 [Бельский В.П. Комплексная автоматизация испытаний аккумуляторов. В сб. "Новое в производстве аккумуляторов", изд. ЦИНТИ ЭП, М. (1965 г.); см. также М.А.Дасоян. "Химические источники тока." Справочное пособие. Изд.2е, изд. "Энергия", Л.О., (1968 г., стр.431-432)]. На структурной схеме фиг.2 обозначены: 1-блок автоматического управления; 2-блок регулирования тока; 3-блок контроля напряжения; 4-блок коммутации силовых и измерительных цепей; 5-блок регистрации.
Работает устройство следующим образом. По команде с блока 1 испытываемые аккумуляторы включаются в разрядную цепь. В процессе разряда блок 1 выдает по заданной программе команды на блоки 2, 3, 4 и 5. Блок 2 обеспечивает регулирование силы тока в разрядной цепи по заданной программе и стабилизацию тока при изменении напряжения источника питания и напряжения испытуемых аккумуляторов. Блок 4 поочередно подключает испытуемые аккумуляторы к блоку 3. Блок 3 осуществляет контроль и измерение параметров. Если какой-либо из параметров контролируемого аккумулятора достигает величины, заданной блоком 1, то блок 3 выдает команду блоку 4 на выключение соответствующего аккумулятора из разрядной цепи. Блок 5 регистрирует все необходимые данные. Таким образом, устройство содержит большое количество элементов коммутации, которые должны быть рассчитаны на суммарное напряжение источника питания постоянным током и аккумуляторов, и ему присущи недостатки, связанные с наличием этих элементов (подгорание контактов и пр.). Данное устройство имеет достаточно большую массу и габариты и требует, зачастую, наличия 3-х фазной сети переменного тока, с целью снижения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного напряжения. Поскольку устройство питается от сети переменного тока, оно не может быть оставлено обслуживающим персоналом без присмотра.
Разработана система контроля и защиты СЦ аккумуляторов, в т.ч. и от переразряда, основанная на принципе сравнения калиброванного по амплитуде импульса с контролируемым напряжением по гальванически развязанным цепям. [В.В.Цоканов и Л.И.Смирнов. Система контроля и защиты серебряно-цинковых аккумуляторов от глубокого разряда и перезаряда. Сб. работ по химическим источникам тока, вып.8, изд. "Энергия", Л.О., (1973 г., стр.160-164)]. И эта система требует для своего питания внешний источник тока и, соответственно, наблюдения со стороны обслуживающего персонала.
Ближайшими аналогами предлагаемого устройства для разряда и доразряда, в которых каждый отдельный аккумулятор разряжается на свой резистор, являются устройства т.н. "пассивного" типа показаны на фиг.3 [Т.Н.Калайда. Химические источники электрической энергии для летательных аппаратов, изд. "ЛВИКА им. Можайского", Л., (1965 г., стр.43-44)]. На схеме фиг.3 обозначены: GB1÷GBn - аккумуляторы, Rн - нагрузочный резистор, РА1 - амперметр, PV1 - вольтметр, Q1 - коммутирующий элемент, VD1 - полупроводниковый диод.
Разряд аккумулятора GB 1 осуществляется на активный резистор Rн.
Поскольку снижение напряжения отдельного аккумулятора при окончании разряда на резистор автоматически снижает величину тока разряда, то процесс окончания доразряда в некоторой степени растягивается во времени и при массовом ведении процесса и ручном контроле напряжения менее опасен в части переразряда по сравнению с разрядом в последовательной цепи аккумуляторов.
Последовательно с резистором Rн в цепь разряда с целью предотвращения разряда до 0 В может быть введен защитный прямо включенный мощный кремневый диод VD1 (фиг.3б). При этом минимальное разрядное напряжение сильно зависит от температуры корпуса и разброса технических характеристик диода и фактически находится в диапазоне 0,4-0,5 В.
Схема, показанная на фиг.3б, делает спад напряжения аккумулятора более плавным, но и она не обеспечивает полного отключения разряда при снижении напряжения аккумулятора ниже 0,4 В вследствие протекания через диод остаточного тока. Обе схемы требуют постоянного контроля со стороны персонала за напряжением аккумулятора, например, с помощью вольтметра PV1. Обе схемы также не позволяют осуществить индикацию окончания процесса разряда СЦ аккумулятора с помощью светодиода. Минимальное напряжение свечения светодиода составляет 1,8 В (+0,5-0,1 В).
Суммируя изложенное выше, можно утверждать, что рассмотренные варианты устройств для разряда и доразряда химических источников тока требуют присутствия при их работе обслуживающего персонала (например, на случай внезапного пропадания электропитания, либо в связи с отсутствием автоматического отключения доразрядившихся аккумуляторов, как это имеет место у "пассивных" разрядных устройств).
Предлагаемое ААДРУ представляет собой автоматическое устройство контроля и управления с питанием от низковольтного источника постоянного тока. Структурная схема приведена на фиг.4, где обозначены: 1 - повышающий ШИМ преобразователь напряжения, который при подключении к низкому напряжению аккумулятора, вырабатывает на выходе стабилизированное напряжение 5 В, необходимое для питания остальных цепей устройства; 2 - узел логики - логическое устройство, вырабатывающее сигнал управления, имеющий два взаимоисключающих устойчивых состояния: "разрешение" (вкл.) и "запрет" (откл.); 3 - узел
контроля - аналогово-цифровой элемент, обеспечивающий контроль уровня напряжения аккумулятора, сравнение его с заданным (опорным) значением и выдачу сигнала на выход логического устройства в случае снижения напряжения аккумулятора ниже заданного; 4 - цепь индикации - отображение состояния процесса доразряда, согласно сигналам управления; 5 - электронный ключ - обеспечивает коммутацию и отключение нагрузки, в соответствии с командой от цепи логики; 6 - узел защиты - обеспечивает отключение всех цепей при снижении напряжения аккумулятора ниже предельного уровня, тем самым исключая переразряд; SA1 - микротумблер.
Принцип действия ААДРУ следующий: при подключенном аккумуляторе, после включения микротумблера SA1, напряжение аккумулятора через узел защиты (6) поступает на вход преобразователя напряжения (1), который запускает и обеспечивает питание всей схемы. При этом цепь защиты находится в отключенном состоянии до прихода команды с логического устройства (2). На выходе узла логики (2) появляется разрешающий сигнал, который включает соответствующий индикатор (начало разряда) и одновременно поступает в цепь управления электронного ключа (5). Ключ переходит в открытое состояние (насыщение), тем самым, подключая нагрузку к аккумулятору. По силовой цепи "аккумулятор - нагрузка - ключ" начинает идти падающий по мере разряда ток. Одновременно с узлом логики (2) включается в работу узел контроля (3), и при снижении напряжения на аккумуляторе ниже заданного порогового уровня, он вырабатывает сигнал на входную цепь узла логики. Логический узел переходит в инверсное состояние, выдавая сигнал запрета (отключения). Ключ закрывается, индикатор (4) отображает состояние окончания разряда, и ток по основной цепи не идет. Этот же сигнал включает цепь защиты.
В связи с применением активной схемы управления доразрядом, после отключения основной нагрузки, аккумулятор остается "подгруженным" малыми токами потребления электронных цепей (порядка 0,1% от тока разряда). Последующим действием должно быть отключение аккумулятора от цепей ААДРУ (микротумблером). В случае, если это действие не выполнено, продолжается длительный разряд малым током. Для исключения полного разряда, в ААДРУ введен узел защиты от переразряда, который обеспечивает самоотключение электронных цепей от аккумулятора.
Данная схема ААДРУ является базовой и может служить исходной для построения различных модификаций для любых ХИТ как в части изменения электрических параметров, так и в части организации режимов контроля, отключения и индикации.
Схема электрическая принципиальная ААДРУ приведена на фиг.5. В исходном состоянии микротумблер SA1 разомкнут, силовые клеммы аккумулятора подключены к силовой цепи ААДРУ: "+" аккумулятора - к резисторам нагрузки (R17...R26); "-" аккумулятора - к ИСТОКУ полевого транзистора (VT5), являющимся электронным ключом коммутации
нагрузки, включенной в цепь СТОКА. Использование полевого транзистора обусловлено его высокими усилительными свойствами, низким сопротивлением перехода СТОК-ИСТОК в открытом состоянии (Rc-и откр=0,007 Ом), что обеспечивает минимальное падение напряжения на переходе в режиме насыщения и, соответственно, снижает мощность рассеяния. Т.к. цепи управления обесточены, электронный ключ закрыт, ток разряда через аккумулятор не течет.
Запуск режима разряда производится переводом микротумблера SA1 во включенное состояние. При этом напряжение с аккумулятора через нормально замкнутые контакты реле К1, шунтирующие защитные диоды Шоттки (VD1, VD2) поступает на вход повышающего преобразователя напряжения, выполненного на микросхеме (DA1) и вспомогательных элементах (C1...C4,L). На выходе микросхемы обеспечивается стабилизированное напряжение питания (5 В), независимое от снижения напряжения на аккумуляторе (нижний порог составляет около 0,7 В), которое обеспечивает питание всех узлов схемы. Загорается светодиод (VS3). При поступлении питания логическое устройство, выполненное по схеме RS триггера на микросхеме DD, устанавливается в состояние, при котором на прямом выходе (10) появляется высокий (разрешающий) уровень (лог.1). Соответственно, на инверсном выходе (11) - низкий уровень (лог.0). Конденсатор (С5) на входе триггера обеспечивает установку разрешающего состояния в начальный момент подачи питания (активным по входу является низкий уровень). В результате: транзисторы (VT1, VT3) усилителя постоянного тока - открыты, а транзисторы (VT2, VT4) - закрыты. На затвор электронного ключа поступает отпирающее напряжение, ключ насыщается, и по силовой цепи начинает проходить ток разряда. При этом загорается светодиод (VS2), оповещающий о прохождении разрядного тока.
Вход сброса триггера логического устройства (13) подключен к выходу устройства контроля напряжения, выполненного на компараторе (DА3). На прямой вход (3) компаратора подается напряжение с аккумулятора; на инверсный (4) - опорное напряжение с плеча делителя (R2, R3, R4), подключенного к выходу дополнительного линейного стабилизатора, собранного на микросхеме (DA2) и обеспечивающего повышение стабильности порога отключения. С помощью подстроечного резистора (R3) осуществляется точная установка порога срабатывания. При напряжении на аккумуляторе выше установленного порога на выходе компаратора (9) - высокий уровень, и состояние триггера не меняется. При снижении напряжения аккумулятора до порога срабатывания, на выходе компаратора появляется низкий уровень, поступающий на вход сброса триггера. Триггер переходит в состояние запрета (выв.10 - лог.0, выв.11 - лог.1) и, соответственно, в результате: транзисторы (VT1, VT3) усилителя постоянного тока - закрыты, а транзисторы (VT2, VT4) - открыты. На затвор электронного ключа отпирающее напряжение не поступает, ключ закрывается, и по силовой цепи ток разряда не идет. При этом загорается светодиод (VS1), оповещающий о завершении доразряда (выходе
напряжения аккумулятора на нижний установленный уровень), срабатывает реле К1 на размыкание контактов, включая цепь диодной защиты.
Одновременно гаснет светодиод (VS2). После этого необходимо отключить цепь управления (перевести микротумблер SA1 в положение выключено). Если микротумблер SA1 остается во включенном состоянии, то вследствии собственного потребления схемы по цепи АККУМУЛЯТОР - ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ будет проходить малый ток. Для предотвращения полного разряда предусмотрена цепь защиты - последовательный компенсатор напряжения, выполненный на диодах Шоттки (VD1, VD2), который обеспечивает самоотключение преобразователя из-за малой величины входного напряжения, и соответственно, происходит отключение всей схемы управления. При этом все светодиоды гаснут.
При заданных электрических параметрах, с учетом естественного отвода тепла от элементов ААДРУ, необходимо монтировать транзистор ключа на дополнительный радиатор из расчета, что средняя мощность рассеяния на нем составляет порядка 6-8 Вт. Желательно использовать теплоотводящие радиаторы для резисторов нагрузки (использованы термостойкие унифицированные резисторы в керамическом корпусе).
Проверка функционирования ААДРУ.
1. Полностью заряженный СЦ аккумулятор номинальной емкости 80 Ач (НРЦ равно 1,85 В) присоединили к клеммам ААДРУ с нарушением полярности подключения, т.е. таким образом, что к положительной клемме ААДРУ подключили отрицательный полюс аккумулятора, а к отрицательной клемме - положительный полюс. Затем включили микротумблер. ААДРУ не запустилось. Ни один из светодиодов не загорелся.
2. Выставили порог срабатывания схемы на минимальное напряжение 1,18В. Затем к клеммам ААДРУ присоединили, с соблюдением полярности, СЦ аккумулятор номинальной емкостью 80 Ач, разряженный на 3/ 4 зарядной емкости. Микротумблер SA1 находился в положении "выключено". Перевели микротумблер в положение "включено". По силовой цепи пошел ток разряда, загорелись светодиоды "разряд" (зеленого цвета) и "питание 5 В" (желтого цвета). Величину протекающего тока и напряжения аккумулятора измерили переносным многопредельным амперметром и вольтметром. Вид разрядной кривой показан на фиг.6. По достижении на аккумуляторе напряжения 1,18 В разряд большим током автоматически прекратился, и светодиод "разряд" погас. Вместо него зажегся красный светодиод "окончание разряда". Светодиод желтого цвета "питание 5 В" продолжал светиться. Напряжение на аккумуляторе возросло до 1,55 В. Переключили амперметр на меньший предел измерения и продолжили наблюдение за доразрядом. По истечении 1,5 часов, когда в силовой цепи протекал разрядный ток силой 25 мА, напряжение аккумулятора начало снижаться. Снижался и ток доразряда. Красный и желтый светодиоды продолжали светиться. После падения напряжения до 0,74 В, ток через аккумулятор полностью прекратился, светодиоды погасли. Конец доразряда показан на фиг.7.
3. Был проверен ручной режим работы устройства: в произвольный момент времени оператор микротумблером отключал ААДРУ. При этом ток разряда полностью прекращался.
Перечень схем и графиков, представленных на чертежах:
На чертеже фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная устройства для разряда последовательно соединенных аккумуляторов:
а) разряд на регулируемый реостат;
б) разряд на регулируемый реостат, последовательно включенный с источником постоянного тока.
На чертеже фиг.2 приведена структурная схема комплексной автоматизации разрядов аккумуляторов, соединенных последовательно.
На чертеже фиг.3 приведены простейшие схемы разрядных устройств "пассивного" типа.
На чертеже фиг.4 приведена схема структурная ААДРУ.
На чертеже фиг.5 приведена схема электрическая принципиальная ААДРУ.
На чертеже фиг.6 приведен график изменения напряжения СЦ аккумулятора номинальной емкостью 80 Ач в процессе доразряда на ААДРУ.
На чертеже фиг.7 приведен график изменения напряжения аккумулятора после автоматического отключения доразряда СЦ аккумулятора при напряжении 1,18 В до отключения схемы ААДРУ при напряжении 0,75 В, т.е. конец доразряда.
Предлагаемое ААДРУ выгодно отличается от рассмотренных разрядных и доразрядных устройство тем, что питается от разряжаемого аккумулятора и поэтому может функционировать автономно, обеспечивая отключение разряда при заданном напряжении. Функция персонала сводится к подсоединению аккумулятора к клеммам устройства и отсоединению по окончании разряда. Если персонал в это время отсутствует, устройство автоматически переведет процесс в режим разряда малым током, а затем после снижения напряжения до заданного безопасного для аккумулятора напряжения автоматически отключаит аккумулятор от цепи разряда. Если в ближайшее время после окончания доразряда предполагается новый заряд, то достаточно доразряда первым режимом, а в случае, когда предполагается длительное хранение в разряженном состоянии, то целесообразно продолжить доразряд вторым режимом.
ААДРУ позволяет свести к минимуму трудозатраты на проведение процесса доразряда аккумуляторов за счет автоматизации процесса, исключить возможность переполюсовки аккумуляторов по недосмотру персонала и выполнить процесс доразряда в оптимальном для положительных электродов СЦ аккумуляторов режиме (1-5-часовом в основной фазе доразряда и 100-1000-часовом в заключительной фазе при снятии оставшейся емкости - долей ампер-часа).
Так как питание ААДРУ осуществляется автономно от самого доразряжаемого аккумулятора и т.к. ААДРУ не связано ни с сетью постоянного
тока, ни с сетью переменного тока, то оно совершенно безопасно для персонала, безопасно в пожарном отношении и может быть оставлено вместе с доразряжаемыми аккумуляторами без присмотра (не требует постоянного контроля). В случае неправильного подключения полюсов аккумулятора к ААДРУ оно не повреждается, сигнальный светодиод "доразряд включен" не загорается. Таким образом, ААДРУ предназначено для автоматического доразряда СЦ аккумуляторов с начальным напряжением разомкнутой цепи 1,5-1,8 В падающим током в автономных условиях, т.е. без применения дополнительных источников электроэнергии и приборов постоянного контроля параметров разряжаемого аккумулятора. При этом ААДРУ обеспечивает:
- коммутацию нагрузки без применения мощных механических переключателей, что исключает негативные коммутационные процессы (искрение, износ, пригорание контактов и т.п.);
- постоянный мониторинг напряжения разряжаемого аккумулятора с функцией автоматического отключения нагрузки при снижении напряжения до заданного минимального уровня (в устройстве предусмотрена возможность регулирования порога срабатывания);
- индикацию состояния процесса доразряда (начало/окончание разряда, отключение);
- защиту от разряда аккумулятора ниже заданного уровня.
ААДРУ может быть использовано для доразряда любых типов аккумуляторов при соответствующем согласовании их номинальных параметров с электрическими параметрами устройства (ток разряда, НРЦ, напряжение отсечки).
ААДРУ может использоваться для доразряда как отдельных аккумуляторов, так и аккумуляторов в составе аккумуляторных батарей (при доразряде батареи из последовательно соединенных аккумуляторов доразряжают сначала четные, а затем нечетные аккумуляторы). Число ААДРУ в составе установки для доразряда равно числу аккумуляторов, которые желают доразрядить одновременно.
Автономное автоматическое устройство для поэлементного доразряда серебряно-цинковых аккумуляторов и аккумуляторов других электрохимических систем, включающее нагрузочное сопротивление, электронный ключ запуска и остановки доразряда, узлы контроля напряжения аккумулятора, логики, индикации прохождения тока доразряда, отличающееся тем, что в схему дополнительно введены последовательно соединенные узел защиты от переразряда и повышающий стабилизированный широтно-импульсный преобразователь напряжения, при этом ШИМ преобразователя подключен к узлам устройства, обеспечивая их питание стабилизированным постоянным напряжением, причем выход узла контроля напряжения подключен к входу узла логики, вырабатывающему сигнал управления, и имеющему два взаимоисключающих состояния: «разрешение» и «запрет», а выход узла логики подключен к электронному ключу, осуществляющему включение и отключение нагрузочного сопротивления, и к цепи индикации состояния процесса дозаряда.
