Способ импульсного заряда аккумуляторов и устройство (система) для его реализации

 

Изобретение относится к области электротехники и касается способа импульсного заряда-разряда аккумуляторов и устройства. Сущность изобретения: способ предусматривает заряд аккумуляторной батареи от разряжаемой батареи и выпрямленного тока источника, где для интенсификации процессов в батареях через обе батареи проводится асимметричный ток. Устройство заряда-разряда содержит две аккумуляторные батареи, мостовой выпрямитель-формирователь асимметричного тока, заряжаемая батарея в котором включена на выходе, а разряжаемая - на входе моста последовательно с источником переменного тока. Устройство формирует два асимметричных тока, поразрядные импульсы заряжаемой батареи в одном из которых служат поразрядными, в другом обеспечивают форсированную передачу энергии в заряжаемую батарею и улучшение удельных энергетических показателей устройства. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам и устройствам для формовки (формировки) при заряде и подзарядке аккумуляторов и аккумуляторных батарей (АБ) при их эксплуатации. Оно может быть использовано в системах электроснабжения как стационарных, так и различных автономных объектов с применением форсированного заряда и разряда аккумуляторов импульсным асимметричным током (АТ). Заряд аккумуляторов асимметричным током может производиться как от разряжаемой АБ, так и от источника постоянного тока, что расширяет функциональные возможности заявляемого устройства, реализующего описываемый способ импульсного заряда аккумуляторов. Схема системы заряда, реализующей предложенный способ, представлена на фиг. 1.

В настоящее время известны и широко применяются способы (методы) заряда аккумуляторов непрерывным и прерывистым пульсирующим, т.е. импульсным, в том числе асимметричным током. Эти способы используются и при формовке активных масс электродов при производстве аккумуляторов. Во время формировки аккумуляторов и АБ их вначале заряжают, затем разряжают, а формировочные циклы производят несколько раз.

В энергосберегающих производствах энергия, отдаваемая аккумуляторами при их разряде, используется для заряда других аккумуляторов, которые, в свою очередь, по завершении цикла заряда отдают свою энергию другим аккумуляторам.

Простейшим способом (методом) заряда аккумуляторов при их формировании или при эксплуатации является заряд путем непосредственного их подключения к зарядному источнику [1] Однако такой заряд занимает много времени (порядка 10 ч) и при эксплуатации АБ приводит к увеличению резервного парка батарей (параграф 7.1, с. 186 [1]). В связи с этим предложены различные способы форсированного, т.е. ускоренного, формирования и заряда АБ.

В случае заряда АБ импульсным пульсирующим током униполярными импульсами частоты 50 и более герц время зарядного цикла сокращается минимум на 17% а расход энергии на 20% (с. 191 [1] и ссылка на Л. 7 там же). Физически это объясняется уменьшением ЭДС поляризации аккумуляторов при импульсном их заряде (и соответственно их внутреннего сопротивления) за счет уменьшения концентрации поляризации [2] Еще в большей степени ЭДС поляризации АБ можно уменьшить при заряде ее разнополярными импульсами со средним за период значением тока заряда, отличным от нуля. Ток в виде разнополярных импульсов в системах заряда АБ часто называют асимметричным током.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ импульсного заряда аккумуляторов от разряжаемой батареи аккумуляторов и выпрямителя переменного тока, при котором униполярные импульсы зарядного тока на частоте источника переменного тока формируют путем суммирования энергии разряжаемой батареи аккумуляторов и выпрямленного тока источника переменного тока [3] Недостатком этого способа является большая длительность цикла передачи энергии из разряжаемой батареи в заряжаемую, так как поляризация электрохимической системы разряжаемой АБ вынуждает ограничивать величину тока разряда значениями, не превосходящими тока восьми-десятичасового режима.

Известно устройство (система) заряда (УЗ) АБ АТ от двух источников [4] от источника переменного тока через вентиль-выпрямитель и от другого источника через зарядно-разрядный конденсатор (ЗРК). Это УЗ характеризуется относительно низкими удельными энергетическими показателями и поэтому применяется редко.

Известна также система для заряда и разряда [3] содержащая выпрямитель переменного тока, позволяющий формировать импульсный ток заряда заряжаемой батареи, в которой энергия разряжаемой батареи передается в заряжаемую АБ.

Недостатками этой системы являются сравнительно большая сложность ее электрической схемы и значительные потери энергии, обусловленные прохождением импульсов зарядного тока через три последовательно включенных вентиля (два в управляемом мостовом выпрямителе и третий, развязывающий отдельные выводы обеих батарей). Кроме того, удельные энергетические показатели этой системы характеризуются сравнительно малыми значениями (из-за относительно низкой добротности зарядной цепи с дросселем) и связанного с этим увеличением габаритов и массы УЗ.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является система заряда АБ импульсным асимметричным током, содержащая выпрямитель-формирователь АТ, выполненный в виде вентильно-конденсаторного моста, два накрестлежащие плеча которого образуют вентили, а два другие - конденсаторы, к выходным зажимам которой подключена заряжаемая аккумуляторная батарея [5] Недостатком этой системы, формирующей АТ путем наложения на переменный ток (протекающий через АБ, источник и два конденсатора моста) постоянной составляющей в виде импульсов тока однополупериодного выпрямления, является низкий КПД заряда АБ при ограничении постоянной составляющей тока внутренним сопротивлением источника. Потери энергии в этой системе могут быть уменьшены при ограничении тока дросселем (включенным до или после выпрямителя) или конденсатором (включенным на входе выпрямителя), однако массогабаритные показатели при этом ухудшаются, а коэффициент мощности, снижаясь, дополнительно ухудшает показатели УЗ в целом. Кроме того, напряжение источника (амплитудное значение) должно быть больше величины зарядного напряжения батареи, которое, в свою очередь, превышает значение ЭДС заряжаемой батареи на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении этой батареи.

Целью изобретения в способе импульсного заряда аккумуляторов является ускорение передачи энергии из разряжаемой батареи в заряжаемые аккумуляторы путем интенсификации электрохимических процессов в аккумуляторах, достигаемой за счет активной деполяризации их электрохимической системы, и упрощение устройств для реализации этого способа. Эта деполяризация производится путем пропускания как через заряжаемые аккумуляторы, так и через разряжаемую батарею аккумуляторов асимметричного тока, причем энергия импульсов подразряда заряжаемых аккумуляторов используется для формирования подзарядных импульсов разряжаемой батареи аккумуляторов, а затем возвращается в заряжаемые аккумуляторы.

С этой целью дополнительно формируют униполярные импульсы зарядного тока разряжаемой батареи за счет суммирования энергии подразрядных импульсов заряжаемых аккумуляторов и упомянутого источника, и полученные импульсы пропускают через разряжаемую батарею в интервалах времени между униполярными импульсами тока заряда аккумуляторов.

Целью изобретения в системе (устройстве) является расширение функциональных возможностей и улучшение удельных энергетических показателей системы заряда при использовании энергии разряжаемой батареи путем импульсной передачи энергии ее разряда в заряжаемую батарею. При импульсной передаче энергии на асимметричном токе постоянная составляющая АТ восполняет емкость заряжаемых аккумуляторов, а переменная составляющая этого тока осуществляет активную деполяризацию электрохимической системы (ЭХС) аккумуляторов, обеспечивает интенсификацию процессов в них, в результате чего внутреннее сопротивление аккумуляторов уменьшается примерно в 3-4 раза (вдвое и больше за счет протекания тока в виде униполярных импульсов [6] и примерно вдвое дополнительно за счет проведения переменной составляющей АТ).

Поставленная цель достигается тем, что во входную диагональ моста включены последовательно разряжаемая батарея аккумуляторов и источник переменного тока, при этом разряжаемая батарея положительным выводом через упомянутый источник подключена к аноду одного, а отрицательным выводом - непосредственно к катоду другого диода, причем обе батареи соединены через конденсаторы упомянутой мостовой схемы своими разноименополярными выводами.

На фиг. 1 представлена схема вентильной системы заряда-разряда для реализации предложенного способа импульсного заряда аккумуляторов, а на фиг. 2-6 упрощенные схемы электрических цепей этой системы.

Система содержит заряжаемую 1 и разряжаемую 2 аккумуляторные батареи и источник переменного тока 3. Положительный 4 и отрицательный 5 выходные выводы устройства соединены с заряжаемой АБ 1, а положительная 6 и отрицательная 7 клеммы соединены с разряжаемой АБ 2. Отрицательный выходной вывод 5 АБ 1 соединен с отрицательной клеммой 7 АБ 2 через диод 8 (анод диода 8 подключен к выводу 5), а положительные выводы батарей соединены друг с другом через диод 9 (катод диода 9 подключен к выводу 4) и источник переменного тока 3. Кроме того, устройство содержит токоограничивающие зарядно-разрядные конденсаторы 10 и 11, при этом одна обкладка конденсатора 10 соединена с анодом диода 8 и отрицательным выходным выводом 5, другая его обкладка с анодом диода 9 непосредственно и через ИПТ 3 (с его клеммами выводами 12 и 6) с положительной клеммой 6, а конденсатор 11 одной обкладкой подключен к отрицательной клемме 7 и другой обкладкой к положительному выходному выводу 4.

В этом устройстве заряда-разряда (УЗР) диоды 8 и 9 и конденсаторы 10 и 11 образуют вентильно-конденсаторный мостовой выпрямитель-формирователь АТ с циклической (периодической) реконфигурацией электрических цепей. При изменениях структуры этих цепей батареи 1 и 2 циклически соединяются последовательно-согласно друг с другом (через источник 3), когда диоды закрыты, и последовательно-встречно, когда диоды 8 и 9 проводят ток источника и батарей.

Предлагаемая система обеспечивает передачу энергии разряжаемой батареи в заряжаемую АБ как при равенстве их ЭДС, так и при любом их соотношении (т.е. напряжение батареи 2 может быть меньше, равно или больше напряжения батареи 1), т. к. АБ 1 может быть заряжена до напряжения, равного сумме напряжения разряжаемой батареи 2 и амплитудного значения напряжения источника 3.

Этот источник 3, производящий вместе с диодами 8 и 9 циклическую реконфигурацию электрических цепей системы, формируя АТ в клеммах (выводах) 4 и 5, а также 6 и 12, обеспечивая реализацию предложенного способа формирования АТ в этих парах клемм, позволяет производить заряд аккумуляторов при суммировании энергии разряжаемой АБ 2 и источника переменного тока 3.

Прежде чем рассматривать принцип работы предложенного зарядно-разрядного устройства, отметим соотношения напряжений заряжаемой и разряжаемой батарей и напряжения источника переменного тока в этом УЗР. Так как напряжение разряжаемой АБ меньше ее ЭДС на величину падения напряжения на ее внутреннем сопротивлении, а напряжение заряжаемой АБ превышает ЭДС на ту же самую величину, то для полного использования энергии разряжаемой АБ (при передаче этой энергии в заряжаемую асимметричным током батарею) необходимо наличие дополнительного источника электрической энергии, напряжение которого превышало бы падение напряжения на внутренних сопротивлениях обеих батарей. При импульсном отборе энергии из разряжаемой АБ потери на ее внутреннем сопротивлении минимальны, поэтому асимметричный ток целесообразно формировать путем наложения униполярных импульсов разряда разряжаемой АБ на переменный ток источника. При использовании в устройствах заряда и разряда токоограничивающих конденсаторов можно запасать энергию этих разрядных импульсов, в последующем передавая ее в заряжаемую АБ. По этой причине данное УЗР является энергосберегающим.

Принцип работы устройства для заряда и разряда АБ, выполненного по предложенной схеме, заключается в следующем.

В полупериоде изменения напряжения источника 3, который условимся считать нечетным (первым, третьим и т.д.), когда к его нижней клемме 6 приложено отрицательное (а к клемме 12 положительное) напряжение, возрастающее по абсолютной величине, напряжения разряжаемой АБ 2 и источника 3 суммируются, каждый из конденсаторов 10 и 11 заряжается (в пределе) до указанного выше суммарного напряжения: конденсатор 10 по цепи: 3-12-10-8-7-2-6-3, а конденсатор 11 по цепи: 3-12-9-4-11-7-2-6-3. Необходимо отметить, что ток и напряжение в цепях с конденсаторами 10 и 12 (упрощенные схемы на фиг. 2 и 3 соответственно) не совпадают по фазе, т.к. из-за емкостной реакции напряжение на этих конденсаторах отстает по фазе от тока источника 3. Заряд конденсаторов 10 и 11 прекращается в момент времени, когда мгновенное значение суммарного напряжения батареи 2 и источника 3 станет равно напряжению заряжаемой АБ 1.

В это же время ток разряжаемой АБ 2 через источник 3 (по цепи: 3-12-9-4-1-5-8-7-2-6-3) передается также в АБ 1, восполняя емкость последней. Таким образом, в данной системе заряда-разряда в начале нечетного полупериода существуют три электрических контура: два параллельных контура для заряда конденсаторов 10 и 11 по схеме фиг. 2 и 3 и в третьем параллельном контуре по схеме фиг. 4 протекает ток заряда АБ 1. Заряд конденсаторов 10 и 11 прекращается, как отмечено выше, в момент времени, когда мгновенное значение напряжения АБ 2 и источника 3 станет равно напряжению заряжаемой АБ 1. Ток заряда АБ 1 (начинающийся в момент равенства суммарного напряжения источника 3 и АБ2 напряжению АБ 1) увеличивается по мере роста напряжения источника 3 и в момент времени, соответствующий амплитудному значению напряжения источника 3, имеет наибольшее значение. Когда суммарное напряжение источника 3 и АБ 2 уменьшается, мгновенное значение зарядного тока АБ 1 также уменьшается, и в момент времени равенства суммарного напряжения напряжению заряжаемой АБ 1 формирование импульса тока заряда прекращается, а диоды 8 и 9 запираются. Но в это же время изменяется структура электрических цепей устройства. Так, конденсатор 10, источник 3, АБ 2 и конденсатор 11 (включенные параллельно при заряде этих конденсаторов и АБ 1), создавая четвертый электрический контур цепь, оказываются включенными последовательно как показано на фиг. 5 и 6.

В этой последовательной цепи по схеме фиг. 5 при уменьшении напряжения источника 3 в нечетном же полупериоде по цепи: 10-12-3-6-2-7-11-4-1-5-10 формируется импульс тока, заряжающий батареи 1 и 2 (импульс тока подзаряда разряжаемой АБ 2 и импульс тока заряда заряжаемой АБ 1). Разряд зарядно-разрядных конденсаторов (ЗРК) 10 и 11 прекращается в момент перехода напряжения источника 3 через нулевое значение, после чего в следующем (четном) полупериоде (см. схему на фиг. 6) изменения напряжения источника 3 конденсаторы 10 и 11 перезаряжаются (заряжаются в обратной полярности) до момента достижения амплитудного значения напряжения источника 3, после чего заряжаемая АБ 1 подразряжается по цепи: 1-4-11-7-2-6-3-12-10-5-1 (подразряжаются и батарея 1 и батарея 2). По окончании перезаряда ЗРК 10 и 11 в следующем нечетном полупериоде вновь изменяется структура зарядно-разрядного устройства и далее происходит подзаряд ЗРК 10 и 11 как описано выше.

В четном полупериоде изменения напряжения источника 3 (к клемме 6 приложено положительное напряжение) зарядно-разрядные конденсаторы 10 и 11 заряжаются по вышеуказанным цепям до напряжения, равного разности напряжений АБ 2 и ИПТ 3.

При изменении синусоидального напряжения ИПТ 3 от максимального до минимального значения, т.е. за интервал, соответствующий периоду изменения его напряжения, к заряжаемой АБ 1 прикладывается напряжение 2U₃ + U_АБ2U₃ (U₃ напряжение ИПТ 3, а U_АБ2 - напряжение разряжаемой батареи 2), в результате чего батарея 1 заряжается до напряжения, равного сумме напряжений разряжаемой АБ 2 и амплитудного значения напряжения ИПТ 3.

Подводя итог вышеизложенному, отметим, что в данной системе заряда-разряда существуют два энергетических контура: один проводит постоянную составляющую тока заряда батареи 1 в виде униполярных импульсов тока (контур 2-6-3-12-9-4-1-5-8-7-2) и второй, по которому циркулирует переменная составляющая (контур 1-4-11-7-2-6-3-12-10-5-1, в нем ток разряда батареи 1 на конденсаторы 10 и 11 в последующем возвращается в эту же самую батарею). В контуре формирования постоянной составляющей разряжаемая АБ 2 передает свою энергию в АБ 1 через источник 3 и диоды 8 и 9, а также осуществляет дозаряд конденсаторов 10 и 11, энергия этого заряда в последующем также передается в АБ 1.

В случае необходимости регулирования тока заряда АБ и прерывания процесса ее заряда ранее достижения предельного значения зарядного напряжения в качестве вентилей 8 и 9 следует использовать тиристоры, а систему дополнительно снабдить блоком контроля напряжений (батарей и источника) и фазового управления тиристорами, схемы которого детально описаны в технической литературе.

В предложенной схеме не требуется отдельных зарядных и разрядных конденсаторов, оба они выполняют эти функции попеременно. Особенности данной схемы заключаются в циклическом изменении ее структуры, как это рассмотрено ранее.

Следовательно, асимметричный переменный ток заряда АБ 1 формируется путем наложения униполярных импульсов разряда разряжаемой АБ 2 на переменный ток ИПТ 3. При импульсном отборе энергии из разряжаемой АБ 2 потери на ее внутреннем сопротивлении минимальны.

Такой заряд АБ 1 обеспечивается при использовании двух токоограничивающих конденсаторов, обладающих высокой добротностью, а в результате того, что ток заряда протекает через один или два диода (в прототипе способа через три), потери энергии в УЗР АБ существенно сокращаются.

Кроме того, так как масса ЗРК примерно на порядок меньше, чем масса дросселя такой же добротности, масса УЗР уменьшается, его удельные энергетические показатели повышаются.

Так как разряжаемая АБ 2 в интервалах между зарядными импульсами получает подзарядные импульсы тока, процессы в ее ЭХС (из-за активной деполяризации) интенсифицируются, внутреннее сопротивление уменьшается, а потери энергии на этом сопротивлении сокращаются. Это позволяет сократить длительность разрядного цикла АБ 2 и согласовать его по продолжительности с зарядным циклом АБ 1.

Таким образом, если при импульсном заряде аккумуляторов от разряжаемой батареи и выпрямителя, при котором униполярные импульсы тока на частоте источника переменного тока формируют путем суммирования энергии разряжаемой батареи и выпрямленного тока источника, дополнительно формуют униполярные импульсы тока, подзаряжающего разряжаемую АБ за счет суммирования энергии подразрядных импульсов заряжаемой АБ и упомянутого источника, а сформированные (полученные) импульсы пропускают через разряжаемую АБ в интервалах времени между униполярными импульсами тока ее разряда (тока заряда заряжаемых аккумуляторов), за счет активной деполяризации ЭХС разряжаемой АБ обеспечивается интенсификация процессов в ней и ускоряется передача энергии из одной батареи в другую.

В целях обеспечения промышленной применимости этого способа предложена схема системы передачи энергии из АБ 2 в АБ 1 на асимметричном токе.

Таким образом, если УЗР АБ содержит ИПТ, два диода, заряжаемую и разряжаемую батареи, соединенные отрицательными выводами через один диод, а реактивное токоограничивающее сопротивление выполнено в виде двух конденсаторов, один из которых одной обкладкой соединен с отрицательной клеммой, а другой обкладкой с положительным выходным выводом и катодом второго диода, при этом одна обкладка второго конденсатора соединена с анодом одного диода, а другая его обкладка с анодом второго диода непосредственно и через ИПТ с положительной клеммой, потери энергии в таком УЗР и его масса уменьшаются, а удельные энергетические показатели повышаются.

Если же система заряда содержит выпрямитель-формирователь АТ, выполненный в виде вентильно-конденсаторного моста, к выходным зажимам которого подключена заряжаемая АБ, а во входную диагональ моста включены последовательно разряжаемая батарея аккумуляторов и источник переменного тока, при этом разряжаемая батарея положительным выводом через упомянутый источник подключена к аноду одного, а отрицательным выводом непосредственно к катоду другого диода, причем обе батареи соединены через конденсаторы упомянутой мостовой схемы своими разноименополярными выводами, функциональные возможности системы расширяются, а ее удельные энергетические показатели достигаются при использовании энергии разряжаемой АБ, если энергия передается в заряжаемую АБ импульсным путем в виде АТ.

Формула изобретения

1. Способ импульсного заряда аккумуляторов от разряжаемой батареи аккумуляторов и выпрямителя переменного тока, при котором униполярные импульсы зарядного тока на частоте источника переменного тока формируют путем суммирования энергии разряжаемой батареи и выпрямленного тока источника переменного тока, отличающийся тем, что дополнительно формируют униполярные импульсы зарядного тока разряжаемой батареи за счет суммирования энергии подзарядных импульсов заряжаемых аккумуляторов и упомянутого источника и полученные импульсы пропускают через разряжаемую батарею в интервалах времени между униполярными импульсами тока заряда аккумуляторов.

2. Система заряда аккумуляторной батареи импульсным асимметричным током, содержащая источник переменного тока, выпрямитель-формирователь асимметричного тока, выполненный в виде вентильно-конденсаторного моста, два накрест лежащих плеча которого образуют вентили, а два другие конденсаторы, к выходным зажимам которой подключена заряжаемая аккумуляторная батарея, отличающаяся тем, что во входную диагональ моста включены последовательно разряжаемая батарея аккумуляторов и источник переменного тока, при этом разряжаемая батарея положительным выводом через упомянутый источник подключена к аноду одного, а отрицательным выводом непосредственно к катоду другого диода, причем обе батареи соединены через конденсаторы упомянутой мостовой схемы своими разноименно полярными выводами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6